Теоретичні відомості

Найбільш розповсюджені для промислового вимірювання температури в діапазоні -260 до 1 100 °С платинові терморезистивні перетворювачі температури (так звані термометри опору ТО).

ТО з міді, нікелю та інших металів і сплавів мають значно меншу часову стабільність, що, зрештою, і визначає їх дещо нижчий клас точності. Мідні ТО мають ту перевагу, що їх функція перетворення є лінійною. Правда, діапазон перетворюваних температур для мідних термометрів становить лише -200 ...+200°С.

Під'єднання ТО у вимірювальне коло за допомогою з'єднувальних проводів з опором Rл, може суттєво вплинути на точність вимірювання температури. Для зменшення цього впливу використовують різні способи і схеми під'єднання ТО. Опір з'єднувальних проводів повинен бути підігнаний з допомогою підганяльного опору до значення, при якому градуюється вторинний прилад. Значення цих (градуювальних) опорів вказуються на шкалі приладу або в його паспорті.

Існують дво-, три- та чотирипровідні схеми підключення ТО до вимірювального приладу.

При двопровідній схемі опір ТО разом з опорами ліній вмикають­ся в одну з гілок вимірювального кола. Підганяння опору з'єднувальних провідників має особливо важливе значення. Потрібно, проте, від­значити, що підганяння не виключає зміни опору лінії, що викликана зміною температури довкілля.

Для зменшення похибок, що з'явилися через невідповідність опору з'єднувальних провідників їх градуювальному значенню, використо­вують термоперетворювачі з трьома і чотирма виводами і відповідне їх ввімкнення в мостове або компенсаційне коло.

Мостові кола. Для вимірювань температури за допомогою ТО використовують, здебільшого, зрівноважені мостові кола (рис.1). ТО вмикаються в плече моста, яке прилягає до реохорда.

Рис.1. Схема автоматичного моста для вимірювань температури

Зміна температури сприймається ТО, який в свою чергу змінює свій опір і тим самим порушується рівновага моста. Як наслідок, у вимірній діагоналі моста появляється різниця потенціалів, що підсилюється підсилювачем сигналу ПС. Підсилений сигнал поступає на реверсивний двигун, який обертається в ту чи іншу сторону, в залежності від полярності напруги, переміщаючи повзунок реостата і вказівник стрілки на шкалі. Отже, певному значенню температури відповідає певне положення повзунка і стрілки.

Опір R_ш служить для розширення границь вимірювань.

Отже, зміна опору реохорда в такому вимірювальному колі буде пропорційна зміні опору перетворювача, що викликана зміною вимірю­ваної температури.

Для зменшення впливу опорів ліній в схемі використовується трипровідне ввімкнення ТО; опір окремих з'єднувальних проводів вмикається відповідно в сусідні плечі моста і діагональ живлення. При такому ввімкненні міст буде симетричним, тобто вплив однакових опорів лінії Rл1 = Rл2 = Rл3 і їх зміни будуть повністю вилучені.

Н езрівноважені мости застосо­вуються в пристроях вимірювання температури рідше ніж зрівнова­жені. До недоліків незрівноважених мостів належить нелінійність їх функції перетворення, залежність вихідної напруги від напруги джерела живлення. Проте через їх виняткову простоту при наявності стабілізованих джерел напруги незрівноважені мости використовуються для вимірювання температури у вузькому температурному діапазоні, коли нелінійністю функції перетворення незрівноваженого моста можна знехтувати або зробити вихідний прилад з нелінійною шкалою.

Рис.2. Схема незрівноваженого моста для вимірювань температури

Таблиця 1

№п/п	Покази ртутного термометра	Покази цифрового приладу ЦВП	Значення температури відповідно до показів ЦВП виходячи з градуювальної таблиці	Абсолютна похибка вимірювання	Відносна похибка вимірювання
1
2
3
4
5

Дослідження термоопору

tC	20	25	30	35	40	45	50	55	60
Ом	108	110,4	111,6	113,7	116,3	119	120,7	123,6	126,4

Міністерство освіти і науки України

Дрогобицький механічний технікум

Інструкція

до лабораторної роботи №__

з предмету:

“Основи метрології та засоби технічного контролю ”

м. Дрогобич

2009 рік

Лабораторна робота №

Тема: Вимірювання температури пірометрами випромінювання.

Мета роботи : набути практичних навиків вимірювання температури за допомогою пірометрів випромінювання

Хід роботи

1. Записати технічні характеристики пірометра випромінювання;

2. Ознайомитися з будовою і принципом дії пірометра;

3. Замалювати у звіт схему оптичного пірометра;

4. Провести вимірювання температури;

5. Зробити висновок.

Теоретичні відомості

Вимірювання температури за випромінюванням тіла базується на використанні основних законів випромінювання, які встановлюють зв'язок між температурою випромінювача (досліджуваного об'єкта) і його спектральною світністю, тобто кількістю енергії, яка випромі­нюється за одиницю часу з одиниці поверхні досліджуваного об'єкта і яка міститься у певному діапазоні довжин хвиль. Залежно від спек­тральної чутливості пристрої вимірювання температури за випромі­нюванням поділяють на радіаційні, квазімонохроматичні та спектраль­ного випромінювання.

Радіаційні пірометри (повного випромінювання) є найпростішими за будовою. Щоправда, вони найменш точні серед приладів, шо вимірюють температуру за випромінюванням. Радіаційний пірометр складається з оптичної систе­ми (телескопа), первинного перетворювача потоку випромінювання в електричний сигнал і вторинного вимірювального приладу. Як первин­ний перетворювач найчастіше використовують зачорнені термоелек­тричні перетворювачі або болометри, які чутливі до всіх довжин хвиль потоку випромінювання, що ними сприймається.

Існують два різновиди оптичних систем радіаційних пірометрів: рефракторна (з заломлювальною лінзою) і рефлекторна (з відбивальним внутрішнім дзеркалом) системи. В рефракторному пірометрі (рис. 1, а) випромінювання від досліджуваного об'єкта 1 надходить на об'єктив (лінзу) 2 і через діафрагму 3 фокусується на гарячому спаї термоперетворювача. Термо-ЕРС, що виникає, вимірюється мілівольт­метром, який градуюється в одиницях вимірюваної температури. Для компенсації похибки від зміни температури вільних кінців термопере­творювачів використовують пристрій 5 автоматичної корекції похибки у формі, наприклад, мостової схеми. Для візування телескопа на об'єкт вимірювання служить окуляр 6 і діафрагма 7.

У рефлекторному телескопі (рис. 1, б) випромінювання від до­сліджуваного об'єкта 1 через діафрагму 2 надходить на рефлектор З, відбивається і фокусується на гарячих спаях термоперетворювача. Коло вимірювання термо-ЕРС складається, як і в рефракторних системах пірометрів, з вимірювального приладу і пристрою 5 автоматичної корек­ції похибок від зміни температури вільних кінців термоперетворювача.

Рис.1. Будова пірометрів повного випромінювання

Пірометри повного випромінювання призначені для вимірювання температури в діапазоні 30...З 000 °С з ос­новною похибкою 1,5...2 %.

На практиці зробити приймач випромінювання, який би поглинав випромінювання всіх довжин хвиль від 0 до ∞, дуже важко. Тому дуже часто задовольняються приймачами, які сприймають випромінювання в обмеженому діапазоні довжин хвиль. Пірометрами, прин­цип дії яких базується на залежності від температури енергетичної світ­ності випромінювача в обмеженому інтервалі довжин хвиль, називають пірометрами часткового випромінювання.

Рис.2. До принципу дії оптичного пірометра

Пірометри, принцип дії яких базується на використанні залежності від температури спектральної світності або пропорційної до неї спектральної яскравості (тобто спектральної світності, віднесеної до одиниці просторового кута), називають квазімонохроматичними або яскравісними. Найбільш розповсюджені серед яскравісних пірометрів візуальні пірометри із ниткою, що зникає (рис. 2, а), які називаються також оптичними пірометрами. При вимірюванні такими пірометрами випромінювання від досліджуваного об'єкта 1 через об'єктив 2 фокусу­ється на нитку розжарення пірометричної лампи 4. Між об'єктивом та пірометричною лампою при вимірюванні температури понад 1500°С (допустима температура нитки розжарювання) ставиться поглинальне скло 3. Зображення об'єкта дослідження і нитки пірометричної лампи при вимірюванні температури спостерігається пірометристом через окуляр 6. Між окуляром і пірометричною лампою знаходиться червоний світлофільтр 5.

Змінюють розжарення нитки пірометричної лампи, регулюючи струм розжарення за допомогою регулівного реостата Rp. Значення цього струму вимірюється приладом, проградуйованим в одиницях вимірюваної температури.

Реалізація пірометрів спектрального відношення значно склад­ніша, ніж пірометрів часткового монохроматичного випромінювання. Спрощена схема такого пірометра показана на рис. 3.

Рис. 3. Схема пірометра спектрального випромінювання

Випроміню­вання від досліджуваного об'єкта 1 фокусується об'єктивом 2 в площині діафрагми 3 і через біхроматичний модулятор 4, оптичну систему 5 і діафрагму 6 потрапляє на приймач випромінювань 7, яким може бути піроелектричний перетворювач, фотодіод чи фоторезистор. Діафрагма З - це калібрований отвір в круглій пластині із дзеркальною поверхнею. Зображення об'єкта в площині діафрагми 3 спостерігається візирним пристроєм, який складається з дзеркала та стандартного мікроскопа. З біхроматичного модулятора на приймач випромінювань почергово потрапляють потоки випромінювання досліджуваного об'єкта в двох різних ділянках спектра, для чого використовуються два світлофільтри, які закріплені в диску біхроматичного модулятора, що обертається, за допомогою двигуна ДС. Отже, сигнал з приймача випромінювань - це послідовність імпульсів, що чергуються, і пропорційних енергетичній світності досліджуваного об'єкта в двох спектральних інтервалах. Ці імпульси, підсилені попереднім підсилювачем ПП, надходять на електронний блок проміжкового перетворювача сигналів ППС, який реалізує функцію перетворення пірометра спектрального відношення і виробляє вихідний сигнал Uвих, зв'язаний з вимірюваною колірною температурою лінійною залежністю. Вихідним сигналом ППС є напруга постійного струму 0...1 В, яка може вимірюватись вихідним приладом ВПр, проградуйованим у одиницях вимірюваної температури. Є також вихід 0...100 мВ для підключення автоматичного потенціометра.

Пірометри спектрального відношення відрізняються високими чутливістю і точністю. Діапазон вимірювань різних модифі­кацій цих пірометрів від 750 до 2900 °С, основна похибка 0,6 %.