Измерение температуры Лабораторная работа №8 введение

Температура является одной из наиболее часто измеряемых физических величин, поскольку практически нет ни одной области деятельности, где не требовалось измерять и регулировать температуру.

Диапазон температур можно разделить на ряд характерных поддиапазонов:

1. сверхнизкие температуры – 0-4,2 К (градусы Кельвина);

2. низкие – 4,2-273 К;

3. средние – 273-1300 К;

4. высокие – 1300-5000 К;

5. сверхвысокие – от 5000 К и выше.

Наиболее часто измеряемые температуры лежат в области низких, средних и высоких температур.

Широкий диапазон подлежащих измерению температур, разнообразие условий и объектов исследования обусловили многочисленность методов и средств измерений температуры [1].

В термометрии принято классифицировать методы и средства измерений на контактные и неконтактные (бесконтактные). Такая классификация основана на наличии или отсутствии непосредственного контакта (касания) термочувствительного элемента с объектом измерения.

При контактных методах теплообмена между объектом измерения и термопреобразователем осуществляется посредством теплопроводности (при измерении температуры твердых тел) и конвекции (при измерениях в газах и жидкостях). Такие методы основаны на температурной зависимости свойств различных веществ, используемых в качестве термопреобразователя, который находится в непосредственном контакте с объектом измерения и его температура принимается равной измеряемой температуре. Подобные термопреобразователи разделяются на терморезистивные, термоэлектрические, термошумовые и др.

Контактные методы и средства применяются для измерения температур в диапазоне от значений, близких к абсолютному нулю, до 1800 С. Используя термопреобразователи из тугоплавких материалов и квазиконтактный метод измерения, при котором термопреобразователь помещается в измеряемую среду на короткое время, можно повысить верхний предел измерений до 2500-3000 С.

Терморезистивные и термоэлектрические преобразователи позволяют измерять температуру практически во всем указанном диапазоне и, кроме того, некоторые виды таких преобразователей имеют нормируемые государственными стандартами технические и эксплуатационные характеристики, что обусловило их широкое применение.

Целью настоящей работы является изучение контактных методов измерения температуры с применением термоэлектрических и терморезистивных преобразователей и методов расчета погрешностей измерения.

1. Термоэлектрические преобразователи

Явление термоэлектричества заключается в том, что если составить цепь из двух различных проводников (или полупроводников), соединив их между собой концами, причем температуру t₁ одного места соединения сделать отличной от температуры t₂ другого, то в цепи потечет ток под действием ЭДС (ТЭДС), представляющей собой разность функций температур мест соединения проводников:

E = f(t₁) - f(t₂).

Такая цепь называется термоэлектрическим преобразователем (термопарой - ТП), проводники – термоэлектродами. Место спая термоэлектродов называется рабочим концом, а концы электродов, к которым подключается прибор, свободными. Обычно измеряется не ток, а ЭДС.

В табл. 1 приведены параметры некоторых термопар (с металлическими электродами).

В соответствии с ГОСТ Р 8.585 – 2001 [2] для ТП устанавливаются номинальные статические характеристики термопар (НСХ), т.е. зависимости TЭДС термопар от температуры рабочего конца при температуре свободных концов 0 С.

В этой же таблице приведены основные параметры термопар. НСХ задаются в виде таблиц или в виде аппроксимирующих полиномов. В приложении 1 для ТП типа ТХК дана в виде таблицы.

Для ТП типа ТХК (L) аппроксимирующий полином имеет вид [1] [мВ], [A_i] = [мВ/Сⁱ]

где A₀= - 1,8656953∙10^-5; A₁= 6,3310975∙10^-2; A₂= 6,0118088∙10^-5;

A₃= -7,9469796∙10^-8; A₄= 9,3101891∙10^-11; A₅= -2,4299630∙10^-14;

A₆= -2, 6547176∙10^-18; A₇= 4,4332477∙10^-19; A₈= - 2, 1172626∙10^-22.

Полином, аппроксимирующий обратную зависимость НСХ преобразования (температуры от ТЭДС) [1],имеет вид

[С], [С_i] = [С/мВⁱ],

где С₀= 3,1116085∙10^-2; С₁= 1,5632542∙10; С₂= - 0,2281310;

С₃= 1,6061658∙10^-2; С₄= - 1,2036818∙10^-3; С₅= 5,7602230∙10^-5;

С₆= -1,6144584∙10^-6; С₇= 2,5988757∙10^-8; С₈= - 2, 2286755∙10^-10.

С₉=7,8910747∙10^-11.

При измерении температуры с использованием ТП путем проведения прямых измерений ТЭДС для расчета температуры удобнее пользоваться

табличным заданием НСХ.

Основные параметры ТП Таблица 1

Тип ТП	Условное обозначение НСХ (международное)	Материал термоэлектрода: Положительный / отрицательный	Диапазон измерения температуры (кратковременный), С	Диапазон ТЭДС, мВ
ТВР	ВР (А)	вольфрам (95 %) - рений (5 %) / вольфрам (80 %) - рений (20 %)	0 – 2200 (2500)	0 – 31,13 (33,64)
ТПР	ПР (В)	платинородий (70 % Pt + 30 % Rh)/ платинородий (94 % Pt + 6 % Rh)	300-1600 (1800)	0,43 – 11,26 (13,58)
ТПП	ПП (S)	платинородий (90 % Pt + 10 % Rh)/ платина	0 – 1300 (1600)	0 – 13,15 (16,77)
ТХА	ХА (К)	хромель (90,5 % Ni + 9,5 % Cr)/ алюмель (94,5 % Ni + Al, Si, Mn, Co)	-200 - +1000 (1300)	-5,89-+41,27 (52,40)
ТХК	ХК (L)	хромель (90,5 % Ni + 9,5 % Cr)/ копель (56 % Cu + 44 % Ni)	-200 - + 600 (800)	-9,50 -+49,10 (66,47)
ТМК	МК (М)	Медь/Копель(56%Сu+44%Ni)	-200 - +100	-6154-+4/722

В измерительных устройствах с достаточными вычислительными ресурсами для получения результата предпочтительнее использовать аппроксимирующие полиномы.

Для определения измеряемой температуры по генерируемой термо-

парой TЭДС, но при температуре свободных концов t_ск, отличной от 0 С,

необходимо автономное измерение температуры t_ск и проведение соответ-

ствующего расчета.

Если t_ск  0, то E_ТП(t_x, 0) = E_ТП(t_x, t_ск) + E_ТП(t_ск, 0),

где: - E_ТП(t_x, t_ск) - ТЭДС, развиваемая ТП при измеряемой температуре и температуре свободных концов t_ск ;

- E_ТП(t_ск, 0) - ТЭДС ТП при температуре рабочего конца t_ск и нулевой температуре свободных концов.

Таким образом, по известной или измеренной температуре свободных концов по НСХ ТП определяется E_ТП(t_ск, 0). Измеряется E_ТП(t_x, t_ск) и далее находится сумма E_ТП(t_ск, 0) и E_ТП(t_x, t_ск). По суммарной ТЭДС с использованием НСХ ТП находится измеряемая температура t_x.

Для ТП устанавливаются три классы точности. Наиболее точными являются ТП типа ТПП (S,R) – не более  1,5 (0 - +600 С.

Пределы допускаемых отклонений ТЭДС ТП типа ТХК от номинальных значений, определяемых по НСХ, приведены в табл. 2.

Пределы допускаемых отклонений ТЭДС от НCХ для ТХК Таблица 2

Тип ТП	Класс	Диапазон температур, С	Предел допускаемых отклонений, 0 С
ТХК	2	- 40 – +300	 2,5
		+ 300 – +800	 0,0075 | t |

2. ТЕРМОМЕТРЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ

Среди терморезистивных преобразователей особое место занимают металлические термометры сопротивления (ТС), для которых характеристики нормируются государственными стандартами (ГОСТ Р 50353 – 92) [3]. По металлу, используемому для изготовления чувствительного элемента, ТС бывают платиновыми (ТСП), медными (ТСМ) и никелевыми (ТСН). По способу контакта со средой, температура которой измеряется, ТС делятся на погружаемые и поверхностные.

Статической характеристикой ТС называется зависимость сопротивления ТС от температуры . В зависимости от номинального сопротивления при условные обозначения номинальных статических характеристик преобразования (НСХ) и основные показатели некоторых типов ТС приведены в табл. 3.

Основные параметры ТС Таблица 3

Подгруппа ТС	, Ом	Условное обозначение НСХ		Диапазон температур
		российское	международное
ТСП	50	50П	Pt 50	-260	+850
	100	100П	Pt 100	-260	+850
ТСМ	50	50M	Cu 50	-200	+200
	100	100M	Cu 100	-200	+200
ТСН	100	100H	Ni 100	-60	+180

НСХ ТС должны соответствовать уравнению

,

где – сопротивление ТС при температуре t, Ом;

W_t– значение отношения сопротивлений R_t при температуре t к сопротивлению R₀ при 0С.

Значения задаются стандартами таблично или аналитически в виде интерполяционных уравнений. В табл. 4 приведены примеры интерполяционных уравнений. Для ТС установлены три класса допуска на допускаемые отклонения и от своих номинальных значений. Значения этих допускаемых отклонений приведены в таблицах 5 и 6.

Наибольшее допускаемое значение не ограничивается.

В табл. 7 приведены допускаемое отклонение определения температуры по статической характеристике ТС по отношению к его НСХ.

Измерительный ток, который приходится пропускать через ТС при измерении его сопротивления, не должен вызывать увеличение его сопротивления из-за нагрева при

Примеры интерполяционных уравнений Таблица 4

Тип ТС	Диапазон температур, С	Интерполяционные уравнения	Значения коэффициентов уравнения
ТСП	-200 – 0		Для НСХ с W0=1.391 А=3,9692∙10-3С-1 B=-5,8290∙10-7 С-2 С= -4,3303∙10-12 С-4
	0 – +850
ТСМ	-10 – +200	Rt =Ro(1+αt) Wt=1+ αt	Для НСХ с W0=1.428 α=4,280∙10-3С-1

Допускаемые отклонения Таблица 5

Подгруппа ТС	Допускаемое отклонение для классов допуска, %
	А	В	С
ТСП	0,05	0,1	0,2
ТСМ	0,05	0,1	0,2

Допускаемые отклонения Таблица 6

Подгруппа ТС	Номинальное значение	Наименьшее допускаемое отклонение для классов допуска
		А	В	С
ТСП	1,3850	1,3845	1,3840	1,3835
	1,3910	1,3906	1,3900	1,3895
ТСМ	1,4260	1,4255	1,4250	1,4240

Допускаемые отклонения определения температуры Таблица 7

Подгруппа ТС	Класс допуска	Допуск, С
ТСП	А
	В
	С
Подгруппа ТС	Класс допуска	Допуск, С
ТСМ	А
	В
	С

более, чем на 0,1% от его номинального значения. Значение этого тока следует выбирать из ряда: 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 2,0; 3,0; 5,0; 10,0; 15,0; 20,0; 50,0 мА.

В приложениях 2 и 3 приведены НСХ для ТСП и ТСМ.