Контрольные вопросы

1.Поясните сущность метода вольтметра-амперметра и метода непосредственной оценки измерений R.

2. Сущность мостового метода измерения сопротивлений. Его достоинства и недостатки по сравнению с методом непосредственной оценки.

3. Каким образом осуществляется учет сопротивления соединительных проводов при двух-, трех- и четырехпроводной схеме подключения термометра сопротивления?

4. Поясните принцип действия измерительного моста, к которому термометр сопротивления подключен по мостовой схеме.

5. В каких случаях двухпроводная схема измерения сопротивления резистивного термометра может быть использована без ущерба для точности определения температуры.

6. Проанализируйте, насколько существенно влияет на точность измерения температуры в методе термометра сопротивления наличие термо-ЭДС, возникающих в местах соединения проводников.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Иванова Г.М. Теплотехнические измерения и приборы / Г.М. Иванова, Н.Д. Кузнецов, В.С. Чистяков. М.: Энергоатомиздат, 2005. 232 с.

2. Сергеев А.Г. Метрология: учеб. пособие / А.Г. Сергеев. М.: Логос, 2005. 272 с.

3. Дворяшин Б.В. Основы метрологии и радиоизмерения / Б.В. Дворяшин. М.: Радио и связь, 1993. 319 с.

Лабораторная работа № 4 градуировка шкал термоэлектрических и полупроводниковых термометров

Цель работы: получение практических навыков использования термоэлектрического термометра и термометра сопротивления для измерения температуры.

Приборы и оборудование: мультиметр ВР-11А, вольтметр ВК2-20, источник постоянного напряжения, термос, электрическая печь, алюмель-хромелевая термопара, термистор ММТ.

Общие сведения

Термометры, принцип действия которых основан на влиянии температуры на один из элементов электрической цепи (индуктивность, емкость, электрическое сопротивление, источник напряжения), в настоящее время получили широкое распространение благодаря своей простоте и высоким техническим и метрологическим характеристикам. Они позволяют с высокой точностью измерять температуру в различных средах в диапазоне от ~ 10^-3 до 3000 К, при этом регистрирующее устройство может находиться на достаточном удалении от объекта, температура которого измеряется. А то обстоятельство, что температура преобразуется в электрический сигнал позволяет напрямую использовать современные средства автоматики и вычислительной техники для регистрации, контроля и управления тепловым режимом объекта или процесса.

Применение термоэлектрических термометров основано на зависимости термо-ЭДС (_т), возникающей в электрической цепи, состоящей из двух разнородных проводников, при неравенстве температур в местах их соединений (рис. 1). Если разность температур спаев Т_А-Т_В невелика, то

_т  ₁₂(Т_В-Т_А) (1)

где ₁₂= ₁- ₂ , ₁ и ₂ - коэффициенты Зеебека соответственно для первого и второго проводника.

При Т_В>T_А _т > 0, если ₁₂ > 0 и _т < 0, если ₁₂ < 0.

Возникновение ЭДС в замкнутой электрической цепи, составленной из последовательно соединенных проводников, если места их контакта поддерживают при различных температурах, называют явлением Зеебека. Оно обусловлено следующими причинами:

Рис.1. Электрическая цепь из двух разнородных проводников

а) преимущественной диффузией носителей тока в проводнике от горячего конца к холодному (объемная составляющая _т);

б) зависимостью контактной разности потенциалов от температуры (контактная составляющая _т);

в) увлечением электронов фононами, которые преимущественно перемещаются от горячего конца проводника к холодному и, взаимодействуя с электронами, вызывают их перемещение в том же направлении (фононная составляющая _т).

При измерениях один из спаев термопары помещают внутрь, либо располагают вблизи объекта, температура которого измеряется. Второй спай помещают в термостат, температура в котором контролируется. Для того, чтобы избежать неудобств, связанных с учетом температуры второго спая, используют так называемую дифференциальную термопару (рис.2), второй конец которой находится в термостате при температуре ~ 0 ⁰С, например в тающем льде.

Изготавливаются термоэлектрические термометры из материалов, которые должны обеспечивать высокую жаростойкость, чувствительность, линейность градуировочной характеристики термометров и т.д. Обязательным является требование стабильности градуировочной характеристики. Этим свойством, в частности, обладают медь-копелевая, никель-хром-никель-алюминиевая (алюмель-хромелевая), платино-родий-платиновая и др. термопары, для которых составлены градуировочные таблицы.

Вместе с тем, при проведении точных измерений термометр необходимо предварительно проградуировать, поскольку величина термо-ЭДС чувствительна к присутствию даже незначительного количества примесей, а также к механическим напряжениям в проводниках. Для градуировки используют основные температурные точки (точки состояния равновесия между фазами ряда чистых веществ) международной практической температурной шкалы (МПТШ-68). Например, точки равновесия между жидкой, твердой и газообразной фазами воды (273,15 К или 0,01 ⁰С), между жидкой и парообразной

Р ис. 2. Схема включения дифференциальной термопары, один из спаев которой термостатирован

фазами воды (373,15 К или 100 ⁰С) и т.д. Градуирование шкал измерительных приборов в интервалах между основными температурными точками осуществляется с помощью интерполяционных формул, описывающих связь контролируемой физической величины с температурой.

Принцип действия термометров сопротивления основан на способности различных материалов изменять свое электрическое сопротивление с изменением температуры. Большое распространение получили металлические термометры сопротивления, пригодные для измерения температур в диапазоне от 10 до 1000 К. Материалами для их изготовления служат медь, никель и платина. Кроме металлов для изготовления термометров сопротивления применяются также полупроводниковые материалы: германий, окислы меди, марганца, кобальта, магния, титана и их смеси. Большинство полупроводниковых материалов обладает большим отрицательным температурным коэффициентом сопротивления, а также большим удельным сопротивлением, зависимость которого от температуры может быть представлена в следующем виде:

, (2)

где U - энергия активации движения носителей, k - постоянная Больцмана, Т- абсолютная температура, R₀(T)- - предэкспоненциальный множитель, слабо зависящий от температуры.

Значительное уменьшение сопротивления полупроводникового терморезистора с повышением температуры преимущественно обусловлено увеличением концентрации носителей вследствие межзонных переходов, переходов с примесных уровней в зону проводимости, а также вследствие активации прыжкового механизма проводимости.

В связи с тем, что технология получения полупроводниковых терморезисторов не позволяет изготовлять их с идентичными характеристиками, все полупроводниковые термопреобразователи имеют индивидуальные градуировочные характеристики.