Контактные способы измерения температур

Содержание

Контактный метод измерения температуры
47. Контактные методы измерения температуры
Читайте также
Измерения тока
Измерения напряжения
Измерения мощности
Измерения частоты
Измерения при синхронизации
4. Единицы измерения
1. Единицы измерения СИ
48. Бесконтактные методы измерения температуры
Приложение 2. Оптимальные допустимые нормы температуры, и скорости движения воздуха в рабочей зонепроизводственных помещений
Эталон температуры
Конкретные измерения
Измерение температуры
Медицинские измерения
5. Классификация дефектов кристаллического строения. Точечные дефекты, зависимость их концентрации от температуры. Краевая и винтовая дислокации
49. Химический состав, методы получения порошков, свойства и методы их контроля

Контактный метод измерения температуры

Контактные методы и средства измерений применяются для измерения температур в диапазоне от значений, близких к абсолютному нулю, до 1500 о С. В отдельных случаях, используя термопреобразователи из тугоплавких материалов или квазиконтактный метод измерения, при котором термопреобразователь на короткое время помещается в измеряемую среду, можно повысить верхний предел измерений до 2500 – 3000 о С.

Из контактных методов измерений наиболее широкое применение получили термоэлектрический и терморезистивный методы. Другие контактные термометрические методы главным образом используются при научных исследованиях или для воспроизведения температурной шкалы. Термоэлектрические и терморезистивные термометры широко применяются для измерения температуры в производственных условиях, при научных исследованиях, а также в метрологической практике для воспроизведения МПТШ в диапазоне 4,2-1337,58К. Достоинства этих методов и соответствующих средств измерений заключаются в их простоте, надежности, низкой стоимости и возможности получения высокой точности измерений. Кроме того, используя контактные методы, можно легко создать многоканальные измерительные системы для непрерывного измерения параметров температурного поля сложных объектов, в том числе при высоких давлениях и в труднодоступных местах.

Для расширения области применения терморезистивного и термоэлектрического методов разработаны преобразователи, которые дают возможность увеличить диапазон измерений этих методов как в область сверхнизких, так и в область высоких температур. Для точных измерений температур от 10 до 2000 К наиболее широко используются платиновые термометры сопротивления (ТC), которые характеризуются широким диапазоном измерений, высокой точностью, стабильностью характеристик во времени и наличием стандартных градуировочных таблиц вплоть до 13,8 К.

Базовым термопреобразователем для измерения низких температур является преобразователь ТСП-4054, погрешность которого не более ±0,02 К при градуировке в четырех точках. Недостаток платиновых ТС — резкое уменьшение чувствительности в области сверхнизких температур.

Разработаны терморезисторы на основе платины и сплава платины с рением с легирующими добавками кобальта и железа. Терморезистор на основе сплава платины с кобальтом позволяет измерять температуру в диапазоне 2-300 К с погрешностью 0,01-0,5 К. Для измерений сверхнизких температур и при действии сильных магнитных полей можно использовать ТС из сплава константана с манганином, имеющий температурный коэффициент 1,5·10 -3 K -1 , ТС из золота с 0,4% марганца и платины с 3% марганца. Электрическое сопротивление таких ТС мало зависит от магнитного поля.

В диапазоне температур 1,5-300 К широко применяются полупроводниковые ТС из германия с легирующими примесями. Эти ТС отличаются высокой чувствительностью при низких температурах и малой зависимостью сопротивления от магнитного поля. В диапазоне температур 1-100 К используются полупроводниковые ТС и диоды из арсенида галлия.

Для измерения температуры ниже 1 К наиболее пригодны угольные и графитовые ТС. Угольные ТС могут работать в сильных магнитных полях. При этом во избежание самонагрева ТС подаваемая в терморезистор мощность не должна превышать 10 -14 Вт. Поэтому необходимо применять высокочувствительные измерительные цепи.

Новой приборной реализацией терморезистивного метода является ионный термометр, основанный на зависимости сопротивления ионных кристаллов от температуры. Вид такой зависимости представлен на рисунке 1.1. Диапазон измеряемых температур находится между температурами Т₁ и Т₂, соответствующими границам восходящего участка с точкой плавления а. Ионный термометр используется для измерения температур от 200 до 700 о С в ядерных реакторах.

Рисунок 1.1 – График зависимости ионных кристаллов от температуры

Термоэлектрические термометры (ТТ) обеспечивают высокую точность измерения, особенно при использовании благородных металлов, способных работать при высоких температурах — до 2500 о С, а также без дополнительных источников питания. Непрерывно ведутся работы по созданию новых комбинаций материалов для изготовления термоэлектрических преобразователей.

Серийно выпускаемые термопреобразователи платинородий (30%) — платинородий (6 %) дают возможность измерять температуру до 1600 о С и кратковременно до 1800 о С, а преобразователи вольфраморений (5%) — вольфраморений (20%) — до 2200 о С и кратковременно до 2500 о С. Наибольший верхний предел измерения имеют термоэлектрические термометры с термопарами на основе карбидов металлов (титан, ниобий, цирконий) и углеродистых или графитовых волокон. Термопары графит — карбид титана и графит — цирконат бора (C-ZrВ₂) могут работать до температур 2500-3000 о С.

При использовании термоэлектрического и терморезистивного методов задача измерения температуры сводится к точному измерению соответственно ЭДС в диапазоне 0,1-200 мВ или сопротивлений от долей Ома до десятков и сотен Ом. Эти задачи успешно решаются применением современных средств измерений указанных величин. Использование серийно выпускаемых измерительных усилителей и автоматических регистрирующих мостов и компенсаторов с улучшенными характеристиками, цифровых милливольтметров, преобразователей сопротивления в цифровой код, а также микропроцессорных устройств для коррекции погрешностей термопреобразователей обеспечивает создание средств измерений температуры с весьма низкими инструментальными погрешностями (0,1-0,5%). Так, известны цифровые термоэлектрические термометры с разрешающей способностью 0,1 К, имеющие основную погрешность ±1% в диапазоне 4-2000 К и ±0,2% в диапазоне 73-2000 К.

При воспроизведении МПТШ применяются образцовые термометры, обеспечивающие измерение температуры между реперными точками с погрешностью ±0,001%. Однако даже при использовании точных приборов погрешности измерений температуры могут достигать больших значений из-за наличия методических погрешностей, обусловленных самой сутью и принципиальными особенностями контактных методов измерений температуры. Главное заключается в том, что все контактные методы основаны на преобразовании в сигнал измерительной информации какого-либо термометрического свойства термопреобразователя, а не объекта исследования.Поэтому все средства измерений, основанные на этих методах, принципиально измеряют температуру термопреобразователя (вернее, его чувствительного элемента), которая в общем случае не равна температуре объекта.

Кроме того, при контактных методах измерений температуры существенное значение имеет погрешность, обусловленная взаимодействием объекта и средства измерения, особенно если последнее используется только для периодических измерений и не является штатным прибором данного объекта. При помещении термопреобразователя в исследуемую среду или у поверхности объекта заведомо нарушается их температурное поле как за счет собственного потребления (или отдачи) тепловой энергии термопреобразователем, так и за счет теплообмена между объектом и окружающей средой через термопреобразователь.

Особенности контактных методов обусловливают также ряд других погрешностей, часть которых является общей для всех контактных методов, а другие свойственны отдельным методам. Так, терморезистивному методу свойственны методические погрешности, обусловленные нагревом термопреобразователя проходящим через него током, влиянием сопротивления линии, нестабильностью сопротивления преобразователя и т. д., а термоэлектрическому — погрешности от нестабильности температуры свободных концов термопары, влияния постоянных магнитных полей и других факторов.

Общими для всех контактных методов являются погрешности, обусловленные недостаточным тепловым контактом между преобразователем и объектом исследования, теплообменным излучением между термопреобразователем и окружающими его телами, температура которых отличается от измеряемой, паразитным теплообменом между объектом и окружающей средой за счет теплопроводности термопреобразователя, дополнительным нагревом термопреобразователя при торможении высокоскоростного потока газа, собственным потреблением (или отдачей) тепловой энергии термопреобразователем при помещении его в среду измерения и др.

При измерении температуры контактными методами в первую очередь должна быть обеспечена хорошая теплопередача от объекта к термопреобразователю, что особенно важно при измерении температуры поверхности твердых тел, а также газов и пара при малых давлениях и скоростях течения.

При измерении температуры твердых тел рабочий спай термопары лучше всего приклеивать или приваривать к поверхности объекта. Если термопреобразователь прижимается к поверхности, то теплопередачу можно улучшить при помощи металлической пластинки, укрепленной на рабочей части термопреобразователя.Материал пластинки должен иметь такой же коэффициент излучения, что и материал объекта исследования, чтобы излучение в окружающую среду было таким же, как при отсутствии термопреобразователя. Для измерения температуры выпуклых поверхностей применяются ленточные термопреобразователи, у которых термопара выполняется из двух тонких лент, которые при прижатии к объекту принимают форму его выпуклой поверхности.

При измерении температуры движущихся сред для улучшения теплообмена термопреобразователь должен хорошо обтекаться исследуемой средой, поэтому он обычно располагается там, где скорость течения наибольшая. При малых скоростях газовых потоков для увеличения теплообмена используются отсасывающие термопреобразователи, скорость газа у которых искусственно увеличивается при помощи насоса (эжектора). При большой скорости газовых потоков (v>50м/с) возможен дополнительный нагрев термопреобразователя за счет частичного торможения потока. Если поток газа полностью затормозить без теплообмена с окружающей средой, то температура газа повысится на ΔТ=v 2 /(2C_p),где v — скорость газа; Ср-удельная теплоемкость газа при постоянном давлении. В реальных условиях вследствие неполного торможения потока газа и других причин погрешность обычно меньше значения, определяемого этим уравнением. Для уменьшения этой погрешности применяются обтекаемые термопреобразователи, в которых скорость газа у термочувствительного элемента уменьшается за счет применения цилиндрических или шарообразных наконечников с отверстиями.

Погрешность за счет собственного потребления тепловой энергии термопреобразователем имеет место, если термопреобразователь вносится в исследуемую среду только на время измерения, и ее нет при стационарной установке преобразователя. Эта погрешность особенно проявляется при измерении температуры малых объектов. Ее значение пропорционально отношению теплоемкостей термопреобразователя и объекта исследования и разности их начальных температур. Эту погрешность можно уменьшить, если температуру термопреобразователя предварительно приблизить к температуре объекта исследования.

Погрешность от паразитного теплообмена между объектом исследования и окружающей средой через термопреобразователь зависит от конструкции и свойств термопреобразователя, способа его монтажа и от характеристик объекта исследования. Эта погрешность может достигать больших значений при измерении температуры поверхностей твердых тел, а также газов и пара при малых давлениях и скоростях течения. Так, например, при измерении температуры поверхности из хорошо теплопроводящего материала при помощи термопары эта погрешность составляет 3% при диаметре термоэлектродной проволоки 1 мм и 1% при диаметре 0,1 мм, если припаянные к поверхности в точке измерения термоэлектродные проволоки выведены перпендикулярно поверхности.Погрешность может быть еще больше, если термопара прижимается концом к объекту, особенно если поверхность шероховатая или из плохо теплопроводящего материала. Рассматриваемая погрешность может быть снижена, если термоэлектроды укрепить вдоль изотермы. Еще лучшие результаты можно получить, если термопару уложить в пазили рабочий конец термопары зачеканить цилиндрическим штифтом в неглубокое отверстие в объекте.

Как недостаток контактных методов можно отметить относительно большие динамические погрешности, обусловленные значительной тепловой инерционностью термопреобразователей, постоянные времени которых составляют 10-60 с и более. Другими недостатками являются ограниченный сверху предел измерения (1500-2500 о C), трудности при измерении температуры подвижных объектов, а также нарушение теплового и технического состояния исследуемой поверхности. От этих недостатков свободны пирометрические и спектрометрические методы измерений температуры.

Папиллярные узоры пальцев рук — маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни.

Источник

47. Контактные методы измерения температуры

Для измерения температуры используются следующие методы.

1. Контактные методы – предполагают наличие надежного контакта с предметом, у которого снимается температура. При таком контакте пределы измерения измеряемой температуры определяются механическими (жаропрочность) и химическими свойствами материала, из которого изготовлен чувствительный элемент термометра.

Верхний предел измеряемых температур ограничен из-за ограничения вышеназванных свойств материала датчика с показателем 2500–3000 о С.

Чувствительность термометра (на 1 °C)

измеряется в миллиметрах.

Их основная характеристика – температурный коэффициент сопротивления:

где В – некоторая постоянная, определяется по таблице и измеряется в кельвинах, Т – температура, К.

Чувствительный элемент у термометров сопротивления – это проволока, намотанная на жесткий изоляционный каркас.

Поскольку сопротивление металлов изменяется по закону (в зависимости от температуры)

где R 0 —сопротивление до начала измерения; t – измеряемая температура, то, какими бы точными ни были изготовлены термометры, со временем даже золото и платина окисляются (например, окисью углерода СО), и в результате нарушается точность показаний прибора (термометра).

Для повышения устойчивости работы термометров, например, с платиновым датчиком, изготавливают проволоку с диаметром больше 1 мкм и регистрируют показания датчика с помощью моста из сопротивлений.

Широкое применение нашли термодатчики из сплавов двух металлов, которые могут быть использованы в разных сочетаниях.

Термическая электродвижущая сила меняется по закону:

где T 1, T 2 – начальная и конечная (рабочая) температуры датчика при измерении, х – коэффициент термической электродвижущей силы, Мв/градус.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

Контактные способы измерения температур

Контактный метод измерения температуры

47. Контактные методы измерения температуры

Читайте также

Измерения тока

Измерения напряжения

Измерения мощности

Измерения частоты

Измерения при синхронизации

4. Единицы измерения

1. Единицы измерения СИ

48. Бесконтактные методы измерения температуры

Приложение 2. Оптимальные допустимые нормы температуры, и скорости движения воздуха в рабочей зонепроизводственных помещений

Эталон температуры

Конкретные измерения

Измерение температуры

Медицинские измерения

5. Классификация дефектов кристаллического строения. Точечные дефекты, зависимость их концентрации от температуры. Краевая и винтовая дислокации

49. Химический состав, методы получения порошков, свойства и методы их контроля