ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.01.2024
Просмотров: 81
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Термопары
Принцип действия – возникновении тока в замкнутой цепи из двух разнородных проводников при наличии градиента температур между спаями.
Наиболее точные термопары – с термоэлектродами из благородных металлов. Преимуществом является значительно меньшая термоэлектрическая неоднородность, чем у термопар из неблагородных металлов, устойчивость к окислению, вследствие чего высокая стабильность. Недостатком является высокая стоимость и малая чувствительность (около 10 мкВ/К при 1000 °С). Хотя платинородиевые термопары превосходят по точности и стабильности термопары из неблагородных металлов и сплавов, минимальная расширенная неопределенность результата измерения температуры в диапазоне до 1100 °С составляет 0,2-0,3 °С.
Термопары из неблагородных металлов очень широко используются во всех отраслях промышленности. Они дешевы и просты в обращении, устойчивы к вибрациям, могут выпускаться во взрывозащищенном исполнении.
Для измерения высоких температур до 2500 °С используют вольфрам-рениевые термопары. Особенностью их использования является необходимость устранения окислительной атмосферы, разрушающей проволоку. Для вольфрам-рениевых термопар используют специальные герметичные конструкции чехлов, заполненные инертным газом, а также танталовые и молибденовые чехлы с неорганической изоляцией из оксида бериллия и оксида магния. Одно из важных применений вольфрам-рениевых термопар состоит в измерении температур в ядерной энергетике в присутствии потока нейтронов.
Особенностью работы с термопарами является применение стандартных удлинительных проводов. Провода позволяют передавать сигнал с термопары на сотни метров к измерительному прибору, внося минимальную потерю точности. Удлинительные провода изготавливаются из того же материала, что и термоэлектроды термопары, но с более низкими требованиями по качеству материалов.
Рекомендации по выбору типа термопары
| Тип | Диапазон температур, 0С | Особенности | |
| Т медь-константановая | -200 | 750 | • Не рекомендуется использование при температурах выше 400 °С; • Не чувствительна к повышенной влажности |
| L хромель-копелевая | -200 | 600 | |
| Е хромель-константановая | -200 | 700 | • высокая чувствительность. • Термоэлектрическая однородность материалов электродов. • Подходит для использования при низких температурах |
| J железо-константановая | -200 | 750 | • Не рекомендуется использовать ниже 0 °С, т.к. конденсация влаги на железном выводе приводит к образованию ржавчины; • выше температуры 500 °С происходит быстрое окисление выводов. • Преимуществом является также невысокая стоимость. |
| К хромель-алюмелевая | -200 | 1200 | • В диапазоне от 200 до 500 °С возникает эффект гистерезиса, т.е показания при нагреве и охлаждении могут различаться до 5 °С; • Атмосфера серы вредна для термопары, т.к. воздействует на оба электрода. |
| N нихросил-нисиловая | -270 | 1200 | • Высокая стабильность при температурах от 200 до 500 °С (меньший гистерезис, чем для термопары типа К); • Считается самой точной термопарой из неблагородных металлов. |
| S или R платнородий-платиновая | 0 | 1300 | • Загрязняется при температурах выше 900 °С водородом, углеродом, кремнием, примесями из меди и железа. • Не рекомендуется применять ниже 400 °С, т.к ТЭДС в этой области мала и крайне нелинейна. |
| В платнородий-платинородиевая | 600 | 1700 | • Может загрязняться при температурах выше 900 °С водородом, кремнием, парами меди и железа, но эффект меньше, чем для термопар типа S и R; • Не рекомендуется применение при температуре ниже 600 °С, где ТЭДС очень мала и нелинейна. |
| вольфрамрений-вольфрамрениевая | 0 | 2500 | |
Рекомендации по работе с термопарами:
- Использовать проволоки большого диаметра, которая, однако, не будет изменять температуру объекта измерения;
- Если необходимо использовать миниатюрную термопару из очень тонкой проволоки, следует использовать ее только в месте измерения, вне объекта следует использовать удлинительные провода;
- Избегать механических натяжений и вибраций термопарной проволоки;
- Если необходимо использовать очень длинные термопары и удлинительные провода следует экранировать провода и тщательно перекручивать выводы;
- По возможности избегать резких температурных градиентов по длине термопары;
- Использовать защитный чехол при работе во вредных условиях, чтобы обеспечить надежную защиту термопарной проволоки;
Достоинства термопар: широкий температурный диапазон (-270 … +2500 0С), простота производства, низкая стоимость, износоустойчивость, не требует дополнительных источников энергии.
Недостатки: нелинейная характеристика, относительно низкая стабильность, низкая чувствительность, измерение низких ЭДС может осложниться электромагнитными шумами и наводками, необходима компенсация холодных спаев.
Термисторы
Термисторы - это, по сути, термометры сопротивления, выполненные на основе смешанных оксидов переходных металлов. Два основные типа термисторов – NTC (с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления) и PTC ( с положительным коэффициентом). Наиболее распространенный тип – NTC. РТС термисторы (позисторы) используются только в очень узких диапазонах температур, несколько градусов, в основном в системах сигнализации и контроля.
Зависимость сопротивления термистора от температуры
Сопротивление идеальных полупроводников (количество дырок и носителей заряда одинаково) в зависимости от температуры может быть представлено следующей формулой
R(T) = A exp(b/T)
где A, b – постоянные, зависящие от свойств материала и геометрических размеров.
Однако сложная композиция и неидеальное распределение зарядов в термисторном полупроводнике не позволяет напрямую использовать теоретическую зависимость и требует эмпирического подхода. Для NTC термисторов используется аппроксимационная зависимость Стейнхарта и Харта
1/T = a+b(lnR)+c(lnR)3
где T – температура в К;
R – сопротивление в Ом;
a,b,c – константы термистора, определенные при градуировке в трех температурных точках, отстоящих друг от друга не менее, чем на 10 °С.
Типичный 10 кОм-ый термистор имеет коэффициенты в диапазоне 0-100 °С примерно равные: a = 1,03 10-3 , b = 2,93 10-4 ,c = 1,57 10-7.
Конструкция и материалы
Большим преимуществом термисторов является разнообразие форм и миниатюрность. Основные конструктивные типы: бусинковые (0,1-1 мм), дисковые (2,5-18 мм), цилиндрические (3-40 мм), пленочное покрытие (толщина 0,2-1 мм). Выпускаются бусинковые термисторы диаметром до 0,07 мм с выводами толщиной 0,01 мм. Такие миниатюрные датчики позволяют измерять температуру внутри кровеносных сосудов или растительных клеток.
Большинство термисторов – керамические полупроводники, изготовленные из гранулированных оксидов и нитридов металлов путем формирования сложной многофазной структуры с последующим спеканием (синтерация) на воздухе при 1100-1300 °С. Наиболее стабильными термисторами при температурах ниже 250 °С являются термисторы на основе смешанных оксидов мания и никеля или магния, никеля и кобальта, имеющие отрицательный ТКС.
Номинальное сопротивление термисторов значительно выше, чем у металлических термометров сопротивления, оно обычно составляет 1, 2, 5, 10, 15 и 30 кОм. Поэтому может применяться двухпроводная схема включения.
Для получения стабильного состояния термисторы подвергают старению (до 500-700 дней). Как правило, во время старения наблюдается рост сопротивления. При длительном использовании термисторов, они уходят за пределы допуска, в большинстве случаев, термисторный термометр показывает температуру несколько ниже, чем значение, определенное по номинальной характеристике.
Исследования показывают, что бусинковые термисторы могут проявлять очень высокую стабильность (дрейф до 3 мК за 100 дней при 60 °С). Дисковые термисторы менее стабильны (дрейф до 50 мК за 100 дней при 60 °С).
Термисторы представляют особый интерес для измерения низких температур благодаря своей относительной нечувствительности к магнитным полям. Некоторые типы термисторов могут применяться до температуры минус 100 °С.
Достоинства термисторов: высокая чувствительность сопротивление-температура, малая инерционность, высокое сопротивление, что устраняет необходимость четырех-проводного включения, малый размер, низкая стоимость, высокая стабильность.
Недостатки: нелинейная характеристика, невысокий рабочий диапазон температур (от -60 до +300 °С), взаимозаменяемость только в узком диапазоне температур, необходим источник тока.
Инфракрасные датчики
Серьезным недостатком рассмотренных выше датчиков является необходимость введения датчика в контролируемую среду, в результате чего происходит искажение исследуемого температурного поля. Кроме того, непосредственное воздействие среды на датчик ухудшает стабильность его характеристик, особенно при высоких и сверхвысоких температурах и в агрессивных средах.
От этих недостатков свободны пирометры – бесконтактные датчики температуры.
Пирометры измеряют температуру поверхности на расстоянии. Принцип из работы основан на том, что любое тело при температуре выше абсолютного нуля излучает электромагнитную энергию.
При низких температурах это излучение в инфракрасном диапазоне, при высоких температурах часть энергии излучается уже в видимой части спектра. Интенсивность излучения напрямую связана с температурой нагретого объекта. Диапазон измерений температур пирометрами от -45 до +3000 0С.
Законы температурного излучения определены совершенно точно лишь для абсолютно черного тела. Зависимость спектральной светимости абсолютно черного тела от температуры и длины волны выражается формулой:
Rα = Aα –5(eB/(αT) – 1) –1,
где α – длина волны, T – абсолютная температура, A и B – постоянные.
Для правильного измерения температуры необходимо учесть ряд факторов. Прежде всего, это излучательная способность. Она связана с коэффициентом отражения простой формулой:
E = 1 – R,
где Е – излучательная способность, R – коэффициент отражения.
Интенсивность излучения любого реального тела всегда меньше интенсивности абсолютно черного тела при той же температуре. Уменьшение спектральной светимости реального тела по сравнению с абсолютно черным учитывают введением коэффициента неполноты излучения; его значение различно для разных физических тел и зависит от состава вещества, состояния поверхности тела и других факторов.
У абсолютно черного тела излучательная способность равна 1. У большинства органических материалов, таких как дерево, пластик, бумага, излучательная способность находится в диапазоне 0,8 – 0,95. Металлы, особенно полированные, имеют низкую излучательную способность, которая в этом случае будет 0,1 – 0,2.