3 Мідь і термометри опору, що з неї виготовляються

До позитивних якостей міді, як матеріалу, використовуваного для виготовлення чутливих елементів технічних термометрів опору типу ТОМ, треба віднести дешевизну, простоту одержання такого дроту в різній ізоляції, можливість отримання провідникової міді високої чистоти. Температурний коефіцієнт лежить в діапазоні від 4,210-3 до 4,2710-3 0С-1. Залежність електричного опору міді від температури в широкому інтервалі температур підкоряється рівнянню:

(3.1)

де Rt i R0 – опори даного зразка міді (ЧЕ мідного термометру) відповідно при температурі t і 0 0С;

 - температурний коефіцієнт електричного опору, характерний для даного зразка мідного дроту, з якого виготовлений ЧЕ термометра.

Температурний коефіцієнт опору визначають із значень опору чутливого елементу мідного термометру, виміряних відповідно для точки танення льоду і температури кипіння води. Мідний дріт використаний для виготовлення чутливих елементів мідних термометрів ТОМ, має температурний коефіцієнт опору  = 4,2610-3 0С-1 .

Лінійний характер залежності опору міді від температури є її достоїнством. До числа недоліків слід віднести малий питомий опір ( = 1,710-8 Омм) та інтенсивне окислення при невеликих температурах.

Стандартні градуйовані таблиці для мідних термометрів опору типу ТОМ наведено в таблиці 1.

Максимально допустимі відхилення від градуйованих таблиць термометрів опору ТОМ

Таблиця 1.

Тип термометра	Клас точності	Інтервал температури 0С	Мах. допустиме відхилення від t
ТОМ	2	-50  (+180)	(0,3+3,510-3 t)
ТОМ	3	-50  (+180)	 (0,3+610-3 t)

Чутливий елемент 1 мідного термометру опору типу ТОМ показаний на

р
исунку 1.

Рисунок 1 - Чутливий елемент мідного ТО на каркасі з пластмаси

Він виконаний із ізольованого мідного дроту діаметром 0,1 мм багатошаровою безіндукційною намоткою 2 на циліндричному каркасі з пластмаси або металу, герметизованої шаром лаку 3. До кінців обмотки припаяні виводи з мідного дроту 4. Зібраний ЧЕ вставляють в металевий чохол 5. Довжина ЧЕ термометра дорівнює 400 мм, а діаметр 5 – 6 мм.

4
Неврівноважений міст постійного струму при живленні від генератора напруги

Рисунок 2 - Неврівноважений міст постійного струму при живленні від генератора напруги

В якості первинного перетворювача використовуємо мідний термометр опору ТОМ-0979, увімкнений за принциповою схемою.

Для даного ТОМ:

(4.1)

де R0=50 Ом,  = 4,2610-3 0С-1 .

Завжди Rл1 = Rл2 = Rл3 = Rл, а R0 >> Rл .

Напруга в точці 1 дорівнює:

(4.2)

Напруга в точці 2 дорівнює:

(4.3)

Напруга U_вих дорівнює:

(4.4)

Виберемо опри R1 i R2 з умови отримання максимальної чутливості моста у врівноваженому стані, коли R1=R2=R0 .

(4.5)

Враховуючи, що R0>>Rл , отримаємо:

(4.6)

Як видно з (4.6.) вихідна напруга Uвих неврівноваженого моста нелінійно залежить від температури.

---

Визначимо dUвих / dt:

(4.7)

Коефіцієнт нелінійності вихідної напруги від температури визначається виразом:

(4.8)

Для діапазону температур 0 – 100 0С  = 0,32 чи 32 %.

Таким чином, вихідна напруга неврівноваженого моста постійного струму при його живленні від джерела е.р.с. нелінійно залежить від температури якщо в якості одного плеча використовується термометр опору. Це призводить до труднощів при розробці принципових схем таких приладів.

5
Неврівноважений міст постійного струму при живленні від двох генераторів струму

Рисунок 3 - Неврівноважений міст постійного струму при живленні від двох генераторів струму

В даній схемі струми I1 = I2 = I.

За вихідну напругу U_вих приймаємо U_вих = U₂ - U₁ , де

U2 =І ( Rл2 + Rt + Uл3) (5.1)

U1 =І ( Rл1 + R0 + Uл3) (5.2)

Приймемо Rл1 = Rл2= Rл3 = Uл, Rt =R0(1+t). Тоді:

U2 =І ( 2Rл + R0 (1+t)) (5.1 а)

U1 =І ( 2Rл2 + R0) (5.1 б)

U_вих =ІR0 t (5.3)

З виразу (5.3) слідує що, напруга між точками 2 і 1 вихідної діагоналі моста лінійно залежить від температури t термометру опору. Це дозволяє реалізувати прості схеми електронних термометрів.

Безконтактні методи вимірювання температури

Термошумовий метод виміру температури базується на рівнянні Найквіста, що встановлює зв'язок між напругою теплових шумів, що виникають на будь-якому резисторі, та його термодинамічною температурою:

U_ш = 4*k*T*R*f (2.6)

де U_ш –середньо квадратичне значення шумової напруги;

k — постійна Больцмана, рівна 1.38-10-23 Дж/К;

R-опір резистора;

f — смуга частот, в якій виробляються виміри.

Рівняння Найквіста справедливо для резисторів з різних матеріалів та не залежить від властивостей цих матеріалів. Таким чином, термошумовий метод дозволяє визначити розмір одиниці термодинамічної температури — кельвіна у відповідності з її визначенням як незалежної одиниці, що забезпечує незалежну реалізацію термодинамічної температурної шкали та дасть можливість уточнити МПТШ.

Термошумовий метод можна використовувати для виміру температур в діапазоні від 0.001 до 2000-2500 К. В якості вимірювальних перетворювачів застосовуються безреактивні резистори з платини, манканіта, константа, ніхрому, вольфраму, графіту, непроволочні резистори, а також ємнісні та індуктивні неконтактні перетворювачі, являти собою резонансний коливальний контур. Джерелом теплового шуму в двох останніх перетворювачах служить опір середовища, температура якого вимірюється, наприклад іонізуючого газу чи пламеню. Це дасть можливість вибірково визначати температуру окремих дільниць газу, що відрізняються по питомій електропровідності.

Вимірювання температури термочастотними методами оснований на використанні залежності від температури частоти власних коливань різного роду резонаторів, швидкості розповсюдження звукових та ультразвукових коливань та параметрів частотно-залежних RC- або RL-ланцюгів з терморезистором.

---

Найбільш розвинуті резонансні термочастотні методи, основані на застосуванні резонаторних датчиків, що являють собою автогенератори чи генератори з вимушеними коливаннями, частота яких настроюється в резонанс з частотою власних коливань резонатора, що змінюється з температурою.

Для виміру температури застосовуються механічні, газові та ядерні резонатори. Характеристика перетворення температури в частоту у таких резонаторів нелінійна.

Для вимірювання температур від 400 до 4000^оС використовують пірометричні прилади. Принцип роботи цих приладів заснований на спроможності нагрітого тіла випромінювати енергію у вигляді світлових і теплових променів. З підвищенням температури тіла інтенсивність випромінювання зростає, крім того, з'являються випромінювання різноманітних довжин хвиль. При більшій температурі велика частина енергії випромінюється з меншою довжиною хвилі. Еталоном максимальної випромінювальної і спроможності, що поглинається променем, є абсолютно чорне тіло. Проте жодний із матеріалів у природі не має такою спроможністю. Випромінювальна спроможність абсолютно чорного тіла дорівнює повній кількості енергії, що випромінюється з 1 м2 поверхні за 1 із (Вт/м2). Якщо навіть внутрішня поверхня тіла має не дуже великий коефіцієнт поглинання, то випромінювання все рівно практично цілком поглинеться внутрішньою поверхнею в результаті багатократних внутрішніх відбитків.

Відповідно до закону Стефана—Больцмана, інтегральна випромінювальна спроможність абсолютно чорного тіла пропорційна четвертого ступеня його абсолютної температури: , де - інтегральна випромінювальна спроможність абсолютно чорного тіла, σ - універсальна постійна, Т - абсолютна температура.

За допомогою пірометрів по яскравості випромінювання визначають температуру нагрітого тіла. Градуюють пірометри по інтенсивності випромінювання штучного чорного тіла. Пірометри випускають двох типів: оптичні й радіаційні.

Пірометри, засновані на яскравому методі вимірювання, називаються оптичними або я с к р а в и м и.

Пірометри, що використовують радіаційний метод вимірювання температури, називаються радіаційними або пірометрами повного випромінювання.

До оптичних пірометрів ставляться прилади ОППИР і ФЭП-4, що є вимірювачами одноколірного монохроматичного випромінювання.

Принцип дії оптичного пірометра ОППИР заснований на порівнянні через світофільтр яскравості нагрітого об'єкта і яскравості розпеченої нитки фотометричної лампи накалювання. Світловий фільтр пропускає випромінювання визначеної довжини хвилі. Прилад ОППИР дозволяє вимірювати температуру від 800 до 6000 0С. Основна похибка виміру 4-8%.

Принцип дії фотоелектричного пірометра ФЭП-4 полягає в тому, що випромінювання від об'єкта виміру 12 i разом із випромінюванням від еталонної лампи 4 у протифазу потрапляє на р, фотоелемент 7. Різниця цих світлових потоків посилюється підсилювачем 8 і подається на вихідний каскад 9, навантаженням якого являється еталонна лампа накалювання 4, послідовно з який установлене калібрований опір 10. Падіння напруги на каліброваному опорі вимірюється електронним потенціометром 11, шкала якого відградуйована в одиницях вимірювання температури.

---

Пірометр випускають на межі вимірювання температури від 500 до 4000 °С. Основна похибка не перевищує ± 1 % при вимірюванні температури не вище 2000 °С і 1,5 % - при температурі понад 2000 °С.

Радіаційний пірометр РАПІР є вимірювачем повного випромінювання і призначений для вимірювання температур у діапазоні 100-2500 °С. Основним елементом приладу є телескоп ТЭРА-50 (мал. 65) із термобатареєю, що перетворить теплове випромінювання тіла в термо-е.р.с., що вимірюється повторним приладом.

В залежності від діапазону що вимірюється температури випускається чотири типи телескопів ТЭРА-50. Основна похибка виміру складає від 8 до 30 %.

Чутливим елементом телескопа ТЭРА-50 є термобатарея, що складається з десятьох сполучених послідовно термопар типу хромель - алюмель. При такому з'єднанні результуюча термо-е.р.с. батареї дорівнює сумі термо-е.р.с. складових її елементів, що значно підвищує чутливість приладу.

При градуйовках пірометрів встановлюється залежність між температурою об'єкта вимірювання і напругою термобатареї приймача.

Для усунення похибки вимірювання від температури вільних кінців термопар у радіаційних пірометрах використовують компенсуючі пристрої.

Для компенсації температури до 100^оС термобатарею шунтують мідним або нікелевим дротом. Для компенсації температури до 200°С частина світлового потоку променів перекривається біметалічними пластинами.

При вимірюванні телескоп розташовують на відстані 1 м від об'єкта вимірювання і наводять на нього через лінзу окуляра.

Безпосередньо оптичні системи телескопів для вимірювання температури в інтервалі 100-500°С виконуються з флюориту або фтористого лиття, для температури 400-2000^оС - із кварцового скла, для температури 900-3000°С - з оптичного скла типу К-8.

6 Опис лабораторного стенду

Лабораторний стенд включає:

• вимірювальний пристрій;

• терморезистор (входить в комплект до вимірювального пристрою);

• магазин опорів;

• автотрансформатор напруги, ручка якого виведена на передній панелі стенда;

• отвір “нагрівальна камера”, температура в якому регулюється поданою напругою, яка вимірюється вольтметром.

---

7 Порядок виконання роботи

1. Ознайомитись з лабораторним стендом.

2. Ознайомитьсь з правилом користування вимірювального приладу.

3. Користуючись терморезистором виміряти температуру оточуючого середовища і температуру тіла всіх студентів бригади в однакових умовах. Результати записати.

4. Ввімкнути тумблер “220”. Встановити за допомогою автотрансформатора напругу на нагрівальному елементі за рекомендацією викладача.

5. Виміряти температуру в „Нагрівальний камері”, при трьох значення напруги, враховуючи інерційні властивості нагрівальної камери, первинного перетворювача і вимірювального приладу. Результати записати.

6. Підключити магазин опорів до вимірювального приладу (в режим вимірювання температури), для моделювання вимірювання температури. Установити на магазині опорів R_М=50Ом. Провести вимірювання температури в 10 – 20 точках, (діапазон вимірювання температури повинен буди максимально можливим). Результати записати в таблицю 2.

7. Провести обробку результатів (сумісних, спільних вимірювань) вимірювань. Визначити лінійну температурну залежність опору терморезистора, за формулою . Розрахувати R₂₀ — опір терморезистора при 20°С;  — температурний коефіцієнт опору.

Таблиця 2.

п/п	t,0C	Rt,Oм
1
2
3
...
N

8. Оцінити максимальну похибку і дати вірне її пояснення.

9. За одержаною формулою визначити опір терморезистора за результатами дослідження в п.3,5.

Приклад проведення розрахунків.

Результати залежності опору від температури представлені в таблиці, необхідно:

№	t, oC	R, Ом	№	t, oC	R, Ом	№	t, oC	R, Ом
	–200	8,654	11	0	50,00	21	200	88,51
	–180	12,99	12	20	53,95	22	220	92,23
	–160	17,28	13	40	57,89	23	260	99,61
	–140	21,50	14	60	61,80	24	280	103,26
	–120	25,68	15	80	65,69	25	300	106,88
	–100	29,81	16	100	69,55	26	320	110,49
	–80	33,90	17	120	73,39	27	400	124,68
	–60	37,97	18	140	77,21	28	420	128,16
	–40	42,00	19	160	81,00	29	460	135,07
	–20	46,01	20	180	84,77	30	500	141,88

---

Смотрите также файлы

• LR1_[5403].doc

• 342-345.pdf

• 456-457.pdf

• 401-455.pdf

• 551-668.pdf