Вимірювання температури

Метою роботи є вивчення електричних методів і засобів вимірювання температури та набуття практичних навичок роботи з приладами для вимірювання температури.

5.1 Організація самостійної роботи

5.1.1 Завдання для самостійної підготовки до роботи

Ознайомитися з лабораторним завданням i вказівками до його виконання.

Вивчити основні методи та засоби вимірювання температури шляхом перетворення її на електричні фізичні величини [3, 4, 8].

5.1.2 Методичні вказівки до самостійної підготовки

В основі автоматизації багатьох технологічних процесів лежить контроль і регулювання температури як одного з найважливіших енергетичних параметрів. На практиці виникає необхідність вимірювання температури в надзвичайно широкому діапазоні: від –260°С до плюс декількох тисяч градусів. Широкого застосування набули електричні методи вимірювання, в основі яких лежить перетворення температури на електричну фізичну величину (опір, напруга тощо), яка може бути виміряна приладами для вимірювання електричних величин.

Електричні методи вимірювання температури поділяються на контактні й безконтактні. У контактних методах, які набули більшого поширення, первинний вимірювальний перетворювач (датчик) безпосередньо контактує з об’єктом вимірювання. Ці методи застосовуються в термометрах електричного опору та термоелектричних термометрах. Безконтактні методи вимірювання базуються на тому, що всі нагріті тіла є джерелом електромагнітного випромінювання у видимій чи інфрачервоній області спектра. Прилади, які використовують безконтактні методи вимірювання, називаються пірометрами й застосовуються зазвичай у тих випадках, коли внесення первинного перетворювача в температурне поле досліджуваного середовища призводить до його викривлення або коли об’єкт перебуває в русі.

5.1.2.1 Термометри електричного опору

Первинними перетворювачами таких термометрів є терморезистори, принцип дії яких полягає у використанні залежності електричного опору металів або напівпровідників від температури.

Терморезистори виготовляються з неблагородних металів (мідь, нікель), благородних (платина) та напівпровідників. Конструктивно металічні терморезистори являють собою дріт, намотаний на каркас з пластмаси або слюди та розташований у захисній оболонці. Напівпровідникові терморезистори відрізняються малими розмірами та складаються з напівпровідника (виконаного у формі диска, відрізка, бусинки), обладнаного виводами та розташованого в ізоляційній оболонці.

Залежність опору від температури для металічних терморезисторів близька до лінійної. Для мідного термоперетворювача в інтервалі температур
–50°С £ Т £ +180°С ця залежність є лінійною

де – опір терморезистора при температурі °С;

град^–1 – температурний коефіцієнт міді.

Залежність опору від температури для платинових терморезисторів описується рівняннями

при –200°С £ Т £ 0°С;

при 0°С £ Т £ +650°С,

де – опір терморезистора при температурі °С;

град^–1;

град^–2;

град^–4.

Початкові опори (при 0°С) стандартних платинових терморезисторів дорів­нюють 10, 46, 100 Ом, стандартних мідних перетворювачів – 53 і 100 Ом.

Напівпровідникові терморезистори (термістори) характеризуються від’єм­ним температурним коефіцієнтом опору й високим початковим значенням опору. Недоліком термісторів є погана відтворюваність і нелінійність функції перетворення, яка має вигляд

де B – коефіцієнт, що характеризує чутливість;

– опори термістора, що відповідають температурам T і T ₀.

Термістори мають вищу чутливість, оскільки їх температурний коефіцієнт електричного опору в 10 – 15 разів більший, ніж у платини й міді, і малу інерційність завдяки малим розмірам.

Вимірювальним пристроєм у термометрах електричного опору може бути будь-який вимірювач опору. Найчастіше використовують незрівноважені або зрівноважені мости постійного струму. У незрівноважених мостах (рис. 5.1, а) терморезистор вмикається в одне з плечей і під час вимірювання температури у вимірювальній діагоналі з’являється струм, значення якого залежить від опору терморезистора, а отже, температури за умови, що напруга джерела живлення буде постійною. Недоліком незрівноважених мостів є залежність похибки вимірювання температури від коливань напруги джерела живлення.

У зрівноважених мостах похибка вимірювання не залежить від нестабільності напруги джерела живлення. Недоліком цього типу вимірювачів є необхідність ручного регулювання й розрахунку опору. Тому в термометрах опору застосовуються автоматичні аналогові або цифрові мости, у яких сигнал розбалан­су, знятий з вимірювальної діагоналі, використовується для зрівноваження.

На рис. 5.1, б наведено спрощену схему автоматичного аналогового мосту, у якому сигнал розбалансу перетворюється на змінну напругу, фаза якої залежить від знака напруги розбалансу. Змінна напруга підсилюється й подається на реверсивний двигун РД, який переміщує повзунок реохорда доти, доки не буде досягнуто рівноваги мосту. Напрям руху реверсивного двигуна визначається фазою, тобто знаком розбалансу. Одночасно із повзунком реохорду переміщується й покажчик, а сам реохорд має шкалу, проградуйовану в градусах Цельсія.

а) б)

Рисунок 5.1 – Схеми мостів для вимірювання температури

Об’єкт вимірювання, у якому знаходиться терморезистор, може бути розташований на значній відстані від вторинного вимірювального пристрою (зрівноваженого або незрівноваженого мосту). Увімкнення терморезистора до кола мосту здійснюється за допомогою лінії, яка зазвичай виконується з мідного проводу (на рис. 5.1 ці лінії зображено пунктиром). Зміна температури навколишнього середовища призводить до зміни опору лінії, що викликає додаткову похибку. Для зменшення цієї похибки застосовується трипроводове вмикання терморезистора (рис. 1.2, б), при якому проводи лінії вмикаються у два суміжні плечі мосту. У цьому випадку зі зміною температури навколишнього середовища проводи лінії змінюватимуть свій опір на приблизно однакову величину, а оскільки вони належать до суміжних плечей мосту, зміни опору проводів взаємно компенсуватимуться і не впливатимуть суттєво на додатковий розбаланс мосту, а отже, і на похибку вимірювання.

5.1.2.2 Термоелектричні термометри

Термоелектричний термометр складається з термоперетворювача, який називається термопарою, і вимірювача термоелектрорушійної сили (термоЕРС). Термопара – це два зварених на кінці провідники (електроди), виконані з різних матеріалів. Точка з’єднання електродів називається робочим спаєм, або робочим кінцем термопари. Якщо нагріти робочий спай до температури Т ₂, то на
вільних кінцях термопари з’явиться ЕРС, яка називається термоЕРС

де Т ₁ – температура вільних кінців.

а) б)

Рисунок 5.2 – Схема двопроводового та трипроводового

вмикання терморезистора

Якщо температуру вільних кінців термопари підтримувати постійною , термоЕРС буде визначатися тільки температурою робочого спаю

Електроди термопар виготовляються як із неблагородних металів (хромель-алюмель, хромель-копель, мідь-константан, мідь-копель та ін.), так і з благородних (платинородій-платина); термопари з благородних металів застосовуються переважно як зразкові з мінімальною похибкою 0,1% у діапазоні температур (+20 … +1800) °С. Електроди стандартних термопар виконуються з дроту діаметром 0,5 мм для термопар із благородних металів і діаметром до 3,5 мм для термопар із неблагородних металів.

ТермоЕРС може вимірюватися електромеханічним або цифровим мілівольт­метрами або компенсатором із ручним або автоматичним зрівноважуванням. Якщо термоЕРС вимірюється електромеханічним мілівольтметром, вхідний опір якого незначний, виникає похибка за рахунок зміни опору лінії, зумовленої коливаннями температури зовнішнього середовища.