Разработка приборов для измерения температур

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

Техническое задание

1. Манометрические термометры

2. Термометры электрического сопротивления

3. Термоэлектрические термометры

4. Измерение температуры

Введение

термометр манометрический термоэлектрический сопротивление

Существуют два основных способа для измерения температур -- контактные и бесконтактные.

Контактные способы основаны на непосредственном контакте измерительного преобразователя температуры с исследуемым объектом, в результате чего добиваются состояния теплового равновесия преобразователя и объекта. Этому способу присущи свои недостатки. Температурное поле объекта искажается при введении в него термоприемника. Температура преобразователя всегда отличается от истинной температуры объекта. Верхний предел измерения температуры ограничен свойствами материалов, из которых изготовлены температурные датчики. Кроме того, ряд задач измерения температуры в недоступных вращающихся с большой скоростью объектах не может быть решен контактным способом.

Бесконтактный способ основан на восприятии тепловой энергии, передаваемой через лучеиспускание и воспринимаемой на некотором расстоянии от исследуемого объема. Этот способ менее чувствителен, чем контактный. Измерения температуры в большой степени зависят от воспроизведения условий градуировки при эксплуатации, а в противном случае появляются значительные погрешности. Устройство, служащее для измерения температуры путем преобразования ее значений в сигнал или показание, называется термометром (ГОСТ 13417-76),

По принципу действия все термометры делятся на следующие группы, которые используются для различных интервалов температур:

1 Термометры расширения от --260 до +700 °С, основанные на изменении объемов жидкостей или твердых тел при изменении температуры.

2 Манометрические термометры от --200 до +600 °С, измеряющие температуру по зависимости давления жидкости, пара или газа в замкнутом объеме от изменения температуры.

3. Термометры электрического сопротивления стандартные от --270 до +750 °С, преобразующие изменение температуры в изменение электрического сопротивления проводников или полупроводников.

4. Термоэлектрические термометры (или пирометры), стандартные от --50 до +1800 °С, в основе преобразования которых лежит зависимость значения электродвижущей силы от температуры спая разнородных проводников.

5.Пирометры излучения от 500 до 100000 °С, основанные на измерении температуры по значению интенсивности лучистой энергии, испускаемой нагретым телом,

6.Термометры, основанные на электрофизических явлениях от -272 до +1000 °С (термошумовые термоэлектрические преобразователи, объемные резонансные термопреобразователи, ядерные резонансные термопреобразователи).

1. Манометрические термометры

Основаны на известной зависимости давления Р термометрического вещества в замкнутой системе с объемом V=const от температуры Т

PV=RT,

где R--универсальная газовая постоянная.

В качестве термометрического вещества могут использоваться разнообразные вещества, находящиеся в различном фазовом состоянии. В зависимости от этого выделяют основные три типа манометрических термометров: газовые, в которых система заполнена, как правило, инертным газом (азотом, реже водородом); жидкостные, в которых в качестве наполнителя используется жидкость (органические жидкости, редко ртуть); конденсационные, заполненные отчасти низкокипящей жидкостью, отчасти ее насыщенными парами. Структурно (рис. 3-1, а) все манометрические термометры состоят из замкнутой системы, в которую входят: первичный измерительный преобразователь ПИП--термобаллон ТЕ; линия связи ЛС--капиллярная трубка КГ; измерительный преобразователь или прибор ИП-- манометрический преобразователь МП. Вся система прибора заполнена термоманометрическим веществом.

Конструктивно (рис. 3-1,6) термобаллон 1 в виде продолговатого стального или латунного цилиндра заключают в защитный кожух 5, соединяемый с объектом, в котором измеряют температуру. Кожух предохраняет ТБ от механического и химического разрушения и позволяет осматривать и заменять ТБ без нарушения герметичности объекта, ТБ соединяется с манометрическим преобразователем 3 с помощью медной соединительной капиллярной трубки 2. КТ защищена от механического повреждения гибкой стальной пружинящей трубкой 4, ее длина может доходить до 40 м. При нагревании ТБ давление температуре t приблизительно имеет вид вещества внутри замкнутой системы увеличивается. Его увеличение воспринимается МП, который воздействует на отсчетное устройство показывающего или самопишущего прибора или на унифицированный стандартный преобразователь ГСП с выходным пневматическим или электрическим сигналом.

2. Термометры электрического сопротивления

Измерение температуры термометрами электрического сопротивления (ТС) основано на свойствах проводников и полупроводников изменять свое активное электрическое сопротивление при изменении их температуры.

Для большинства проводниковых ТС зависимость активного электрического сопротивления Rt при

{Rt=Ro(l+at)}

где Ro -- начальное сопротивление проводника при t=to;

а -- температурный коэффициент электрического сопротивления.

Исходя из этой зависимости, можно сформулировать требования к материалам для ТС: 1 .

В материалах предпочтителен большой температурный коэффициент электрического сопротивления а, так как относительная чувствительность ТС

определяется из (3-1) его значением;

Температурный коэффициент а принято характеризовать, измеряя сопротивление проводника при t=0 °C, т.е. Ro , и при t=100°C, т. е. R100, вычисляя его среднее значение

или величину R100/Ro, отн. ед., и разброс ±Dа.

2. Желательны проводники с большим удельным сопротивлением либо для достижения большого значения

Ro, так как абсолютная чувствительность ТС определяется произведением

Sабц =DR/Dt = Ro*a,

либо при выбранном Ro для уменьшения массы провода и улучшения инерционности ТС (при заданной его надежности).

3. Изменение сопротивления под действием температуры желательно иметь линейное или близкое к нему и однозначное (без гистерезисных явлений).

4. Выбирают материалы химически стойкие, неизменные во времени, легко воспроизводимые в химически и физически чистом виде.

В соответствии с этими требованиями для стандартных ТС (ГОСТ 6651--78) используется медь и платина. При температуре i полное сопротивление Rt платинового ТС определяется зависимостями-

для t>00С Rt=R0(1+At±Bt2), (3.3)

для t<00C Rt=R0[1+At+Bt2+Ct3(t-100)] (3.4)

для платины марки Пл-2, применяемой для стандартных ТС, коэффициенты имеют значения:

А =3,96847*10-3 К-1; В=5,847*10-7 К-2; С=--4,22х*10-12 К-4 , а для медных ТС изменение сопротивления соответствует зависимости (3-1), где а=4.26*10-3 1/К.

Конструктивное устройство современных медных ТС представляет собой бескаркасную безындукционную катушку из медной проволоки диаметром 0,08 мм, покрытую фторопластовой пленкой 2. К обмотке припаяны два вывода 3. Для обеспечения виброустойчивости и герметичности чувствительный элемент ТС помещается в тонкостенную металлическую гильзу с керамическим порошком и герметизируется.

3. Термоэлектрические термометры

Первичным измерительным преобразователем термоэлектрического термометра (ТТ) служит термопара, которая состоит из двух разнородных проводников (рис. 3-3). Принцип действия термопары основан на образовании термоэлектродвижущей силы (ТЭДС) в спае двух разнородных проводников, если их температура изменяется вдоль проводников.

Если составить цепь из двух разнородных проводников, термоэлектродов А и В. то возникает ТЭДС К, равная

Е = eaв (t,t0)=eAB (t)+eBA(to)),

где еAB (t) - ТЭДС при температуре t;

-ТЭДС при температуре to.

Значение Е определяется, во-первых, разностью температур, при которой находятся спай 1, рабочий конец цепи и свободные концы цепи 2,2', и, во-вторых, контактной разностью потенциалов из-за разной работы выхода электронов у разнородных металлов, зависящей от температуры.

Поддерживая температуру одного из концов, например 2, постоянной, г е. to=const получаем E=f(t). Если эту зависимость определить экспериментально, то такое устройство можно использовать для измерения температуры t, измеряя ТЭДС Е. При включении прибора ИП для измерения Е обязательным условием является одинаковая температура в точках подключения прибора к термоэлектродам 2,2'или 3,3'(после удлинительных проводов) (рио. 3--3).

Термоэлектродные материалы, предназначенные для изготовления термопар, должны отвечать следующим условиям: не изменять с течением времени своих физических свойств, значение ТЭДС этих материалов выбирают достаточным для точных измерений, которое должно изменяться однозначно в зависимости от температуры; температурный коэффициент электросопротивления их должен быть, по возможности, минимальным, а электропроводность и теплопроводность -- высокой. Термопары в электрических термометрах конструктивно представляют собой два термоэлектрических проводника диаметрами от 0,5 до 3 мм , механически и с помощью сварки или пайки соединенных в месте рабочего спая. Остальную длину проводников изолируют асбестом, керамическими или кварцевыми бусами или трубками в зависимости от измеряемой температуры.

Термоэлемент помещают в защитную стальную трубку с водозащищенной головкой, колодкой зажимов и устройством для крепления в объект исследования.

Напряжение Ucd, определяемое зависимостью

Ucd=DR0ti=R40a(tокр.ср-t0)i (3.5)

где i-- ток, протекающий по R4, выбирается равным изменению ТЭДС из-за изменения to, т. е.

DE(t)=E(T,Tокр.ср)-E(t,t0)=k(tокр.ср-t0)=Ucd (3-7)

здесь k-- коэффициент, учитывающий линейное изменение ТЭДС из-за изменения to и равный 0,8-- 1,0 для неблагородных металлов и 0,5--0.6 для благородных металлов

Термоэлектрические термометры в отличие от термометров электрического сопротивления имеют малый объем чувствительного элемента (первичного измерительного преобразователя). Это позволяет измерять с помощью термопар в специальном конструктивном оформлении температуру в точке. Кроме того, сама термопара не требует источников вспомогательной энергии, но измерительные комплекты, пирометрический милливольтметр с компенсационным устройством или автоматический электронный потенциометр нуждаются в них.

Для измерения выходного сигнала термоэлектрического термометра ЕТЭДС используются приборы прямого преобразования.

Пирометрические магнитоэлектрические милливольтметры и после унифицирующих преобразователей, магнитоэлектрические миллиамперметры (для 0--5 мА постоянного тока), и приборы уравновешивающего преобразования: автоматические электронные потенциометры.

4. Измерение температуры

Показания жидкостных и манометрических термометров расширения определяются температурой не только рабочего вещества, находящегося в непосредственном контакте с измеряемой средой, но и выступающей, неконтактирующей части рабочего вещества, которая находится в теплообмене с окружающей средой. Изменение температуры выступающей части относительно гравировочного значения вызовет изменение показаний термометра.

При измерении термо-ЭДС могут иметь место ошибки в оценке действительного значения термо-ЭДО термоэлектрического термометра, которые вызываются неучетом некоторых свойств термоэлектрических цепей, а также неправильной оценкой температуры свободных концов или неучетом свойств удлиняющих термоэлектродных проводов. Некоторые из этих свойств Термо-ЭДС цепи не изменится при включении в нес проводника из любого материала, если температура мест подключения одинакова. Удлиняющие термоэлектродные провода служат для удлинения термометра без искажения развиваемой им термо-ЭДС

Свободными называются те концы термоэлектрггческого термометра, которые включаются в измерительную цепь. Если термоэлектрический термометр удлинен термоэлектродными проводами, то свободными концами термометра будут концы термоэлектродных проводов.

Удлиняющие термоэлектродные провода вносят свою долю в общую погрешность измерения. Например, предел основной допускаемой погрешности удлиняющих проводов для термоэлектрических термометров типа К равен ±0,16 мВ.

Удлиняющие термоэлектродные провода вносят свою долю в общую погрешность измерения. Допускаемые отклонения измеряемых значений термоэлектродвижущей силы, мВ, от градуировочных характеристик определяются из выражения:

De=[a+b(t-c)]ST

t -- температура рабочего конца термометра. °С; ST=(de/dt)T - коэффициент преобразования термометра.

Определяемый на основе его градуировочной характеристики; а, b, с - коэффициенты.

Допускаемые отклонения, выраженные в градусах, определяются частью выражения, заключенного в квадратные скобки.

Милливольтметр измеряет напряжение на собственных зажимах и его класс характеризует предел основной погрешности измерения именно этого напряжения (поэтому погрешность выражается в милливольтах даже при градусной шкале). При решении задач на расчет компенсации температурной погрешности следует иметь в виду, что значение вводимой поправки должно быть численно равно изменению термо-ЭДС термоэлектрического термометра при изменении температуры свободных концов. При расчете изменения показаний с изменением температуры свободных концов необходимо пользоваться выражением равновесия потенциометрической схемы в общем виде, когда движок реохорда занимает произвольное положение.

Для медных термопреобразователей зависимость Т от t в интервале температур -- 50 -- +200°С может быть выражена как

где а=4,28*10-3К-1.

Зависимость сопротивления полупроводниковых термометров от температуры имеет вид

где Т--текущее значение температуры. К; Ro--значение сопротивления при температуре Т=293 К; В-- коэффициент, зависящий от свойств полупроводникового материала.

Интервал изменения выходного тока у преобразователей всех градуировок и пределов преобразования составляет 0--5 или 4--20 мА.

Размещено на Allbest.ru