ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 25.12.2021
Просмотров: 389
Скачиваний: 3
Міністерство освіти і науки України
Вінницький національний технічний університет
Інститут автоматики, електроніки та комп’ютерних систем управління
Кафедра метрології та промислової автоматики
Лабораторна робота №
МЕТОДИ ВИМІРЮВАННЯ ТЕМПЕРАТУРИ
ОБРОБКА РЕЗУЛЬТАТІВ СПІЛЬНИХ ВИМІРЮВАНЬ
з дисципліни “Вимірювальні перетворювачі”
Вінниця, ВНТУ 2008
Мета роботи: вивчити основні методи та способи вимірювання температури, навчитися вимірювати температуру за допомогою терморезистора та встановити залежність опору від температури.
Теоретичні відомості.
Температурою називається фізична величина, яка характеризує ступінь нагрівання тіла. Температуру визначають непрямим шляхом за допомогою шкали температури.
Діапазон існуючих температур можна поділити на ряд характерних піддіапазонів: наднизькі температури (0–4,2 К), низькі (4.2–273 К), середні (273–1300 К), високі (1300-5000 К) та надвисокі (від 5000 К і вище). Наднизькі і низькі температури необхідно вимірювати при проведенні різноманітних фізичних експериментів, і особливо при дослідженні надпровідності та її технічному застосуванні, у криогенній техніці та ін. За верхню межу надто низьких температур умовно прийнята температура, при якій провідники переходять у надпровідний стан. Найбільш часто температури, що вимірюються лежать в області низьких, середніх та високих температур. Такі виміри мають місце у різноманітних галузях народного господарства, при наукових дослідженнях, в медицині та ін.
Основними приладами для вимірювання температури : термометри розширення, манометричні термометри, термометри опору з логометрами або мостами, термопари з мілівольтметрами або потенціометрами, пірометри випромінювання.
В залежності від діапазону вимірювання застосовують різни типи термометрів наприклад: діапазоні низьких і середніх температур використовуються в основному контактні методи вимірювання, причому найбільш широко на практиці використовуються первинні перетворювачі в виді термометрів опору і термопар. Для вимірювання високих та надвисоких значень температур застосовуються безконтактні методи наприклад: пірометри.
Термометри розширення.
Термометри розширення рідинні скляні застосовують для виміру температури від -100 до +650оС.
Принцип дії термометрів розширення заснований на об'ємному розширенні рідини, що знаходиться всередині скляного розширювача, під дією навколишньої температури. При нагріванні розширювача рідина, що знаходиться в ньому, збільшується в об’ємі: Vt=Vo(1+γt), де Vt - обсяг рідини при нагріванні на t0C, V0- обсяг рідини при 00C; γ- коефіцієнт об'ємного розширення, t – температура вимірювання, 0C.
Піднімаючись вверх по капіляру, рідина встановлюється на висоті, пропорційній температурі нагрівання. Відлік ведеться по шкалі в градусах Цельсія. В якості робочої рідини в скляних термометрах використовують ртуть, спирт, газ або толуол. Ртуть є кращою робочою рідиною, тому що відсутнє змочування рідини, тому в скляному капілярі не утворюється вгнутий меніска, що полегшить зняття показань із термометра.
Манометричні термометри
Манометричні термометри використовують для вимірювання температур рідких і газових середовищ у діапазоні від 0 до +600оС.
Принцип дії приладів заснований на використанні залежності зміни тиску робочої рідини, насиченого пару або газу при постійному обсязі від температури об'єкта.
В залежності від наповнювача, що заповнює всю термосистему (термобалон, капіляр і дошкульний елемент), манометричні термометри діляться на газові, парорідинні і рідинні.
Газові прилади заповнюють інертним газом - азотом або аргоном, парорідинні - рідинами, що низько киплять, (ацетон, фреон), пари яких при що вимірюється температурі частково заповнюють термобалон, рідинні - кремній органічної рідиною. Шкала манометричних газових і рідинних термометрів рівномірна; в парорідинних термометрів шкала нерівномірна в першій третині шкали.
До переваг манометричних термометрів відносяться мала інерційність вимірювань і вибухонебезпечність, до недоліків - низька ремонтоздатність в умовах заводу, особливо при виході з ладу чутливого елемента або капіляра, відповідно низький клас точності.
Термоелектричні термометри
Термопара (термоелектричний термометр) представляє собою два різнорідних металевих провідників (термоелектродів), що призначені для вимірювання температури. Кінець термопари, що поміщається в об'єкт вимірювання температури, називається робочим або «гарячим» спаєм, вільні або «холодні» кінці термопари сполучені з вимірювальним приладом. Термопарою здійснюється перетворення теплової енергії в електричну.
Принцип роботи термопари полягає в тому, що при зміні температури гарячого спаю на вільних («холодних») кінцях термопари змінюється термоелектрорушійна сила (термо-е.р.с.) постійного струму.
Відповідно до явища Зеебека, у замкнутому електричному колі, утвореного двома різнорідними провідниками, виникає термо-е.р.с., пропорційна різниці температур спаїв. Розмір термо-е.р.с. залежить тільки від температури «гарячого» t1 і температури t2 «холодного» спаїв і матеріалів, що утворюють термопару.
Утворення термо-е.р.с. у термопарі пояснюється тим, що при нагріванні електрони на «гарячому» спаї одержують більш високі швидкості, чим на «холодному», в результаті виникає потік електронів від «гарячого» кінця до «холодного». На «холодному» кінці накопичується негативний заряд, на «гарячому» - позитивний. Різниця цих потенціалів визначає термо-е.р.с. термопари Е(t)=Е(t1) – E(t2).
Діапазон вимірювання температури залежить від типу матеріалів провідників, які застосовуються для виготовлення термопар:
-
хромель-копелеві (ТХК) на межі від –50 до 6000С ;
-
хромель-алюмелеві (ТХА) на межі від –50до 10000С ;
-
платинородій-платинові (ТПП) на межі від 0 до13000С ;
-
платинородій-платинородієві (ТПР) на межі від 300 до 18000С ;
Крім того освоюються ТЕП з уніфікованим вихідним сигналом 0-5; 4-20 мА.
Позначення ХА, ХК, ПП називається градировкою термопари; позитивним електродом є електрод, матеріал якого в градировці стоїть першим.
Термометри опору
Термометри опору широко застосовуються для вимірювання температури в діапазоні від –2600 до 7500оС. В деяких випадках вони можуть бути застосовані для вимірювання температури до 1000оС.
Дія термометрів опору основана на властивості речовини змінювати свій електричний опір при зміні температури. При вимірюванні температури термометр опору занурюють в середовище, температуру якого потрібно визначити. Знаючи залежність опору термометра від температури можна за зміною опору термометра робити висновок про температуру середовища, в якому він знаходиться. При цьому необхідно мати на увазі, що довжина чутливого елемента (ЧЕ) у більшості термометрів складає декілька сантиметрів, і тому при наявності температурних градієнтів в середовищі термометр опору вимірює деяку середню температуру тих шарів середовища, в яких знаходиться його чутливий елемент.
Раніше рахували, що найбільш придатним матеріалом для виготовлення термометрів опору є тільки чисті метали, але дослідження останнього року показали, що деякі напівпровідники теж можуть бути застосовані в якості матеріалу для виготовлення термометрів опору.
Відомо, що велика кількість металів має додатній температурний коефіцієнт електричного опору: 0,4 – 0,6% 0С-1 для чистих металів. Це пов‘язано з тим, що число носіїв струму – електронів провідності в металах дуже велике і не залежить від температури. Електричний опір метала збільшується з підвищенням температури в зв‘язку зі збільшенням теплових коливань іонів навколо своїх положень рівноваги. В н/п можна побачити іншу картину – кількість електронів провідності різко збільшується з підвищенням температури. Тому електричний опір типових н/п також різко (по експоненціальному закону) зменшується при їх нагріванні. При цьому температурний коефіцієнт електричного опору н/п на порядок вище, ніж в чистих металах.
Термометр опору з чистих металів, який одержав найбільше розповсюдження, виготовляють звичайно у вигляді обмотки з тонкої проволоки на спеціальному каркасі з ізоляційного матеріалу. Цю обмотку прийнято називати чутливим елементом термометра опору. Для того, щоб запобігти від можливих механічних ушкоджень та дії середовища, температура якого вимірюється термометром, чутливий елемент його вміщують в спеціальну захисну гільзу.
До числа якостей металічного термометра опору слід віднести: високу степінь точності, вимірювальної температури, можливість випуску вимірювальних приладів до них зі стандартною градуйованою шкалою практично на будь-який температурний інтервал в діапазоні допустимого температурного застосування термометрів опору; можливість централізованого контролю температури шляхом приєднання декількох взаємодіючих термометрів опору через перемикач до одного вимірювального приладу; можливість використовування їх з комп'ютерами.
Н/п термометри опору, як показує практика їх застосування, можуть бути використані для вимірювання температури від 1,3 до 400 К. В практиці технологічного контролю вони в порівнянні з металевими знаходять менше застосування, так як вимагають індивідуального градуювання.
Для точних вимірювань опорів термометри в лабораторних умовах застосовують потенціометри і мости.
При вимірюванні температури в промислових умовах термометри опору використовують в комплекті з логометрами, автоматичними зрівноважувальними мостами і автоматичними компенсуючими приладами. При цьому необхідно мати на увазі, що ці прилади забезпечують шкалою, відградуйованою шкалою в градусах Цельсія, яка дійсна тільки для певного градуювання термометра опору і заданих значень опорів проводів, з‘єднуючи термометр з вимірювальним приладом.
2 Метали, які використовують для виготовлення термометрів опору
Метали, призначені для виготовлення чутливих елементів (ЧЕ) термометрів опору, повинні відповідати деяким вимогам. Вони неповинні окислюватися і мати високе відтворення значень електричного опору в діапазоні робочих температур. Зворотній метал в діапазоні використовуваних температур повинен мати монотонну залежність опору від температури R = f(t) і і досить високе значення температурного коефіцієнта опору . Цей коефіцієнт в загальному вигляді може бути виражений рівнянням:
(2.1)
Температурний коефіцієнт електричного опору заведено розраховувати від 0 до 100оС. Для цього випадку вираз (2.1) приймає вигляд:
(2.2)
де R0 i R100 – опори зразка даного металу, виміряні відповідно при 0 і 100оС.
Відомо, що сплави мають менше значення температурного коефіцієнта опору. Крім цього, відтворення властивостей сплавів далеко недостатні в порівнянні з чистими металами. Досліди показують, що чим чистіший метал (при відсутності в ньому механічних напружень), тим краще у нього відтворення температурних властивостей і більше значення відношення R100/R0 також як і є загальноприйнятими показниками степені чистоти даного металу і присутності механічних напружень. Для зняття механічних напружень в даному металі використовують визначені режими віджигу. При цьому значення відношення R100/R0 а також і зразка збільшується до їх граничного значення для даного металу.
Вказаним вище вимогам до металів для виготовлення ЧЕ термометрів опору для широкого діапазону температур дозволяє платина. Якщо верхня межа температури використання термометра не висока то вказаним вище вимогам задовольняє також мідь і нікель. В деяких випадках використовують для виготовлення ЧЕ термометрів опору, але з обмеженою областю їх використання, й інші метали, наприклад, залізо, вольфрам і молібден.
В даній лабораторній роботі використовується мідний термометр опору (ТОМ-50). Тому розглянемо мідні термометри опору в загальному вигляді.