лабы тса

Рисунок 5 - Термореле с биметаллическим чувствительным элементом.

Существенным недостатком подобных термореле является фиксированная температура срабатывания, их невозможно подстроить на другую температуру.

Термопары это наиболее распространенные простые и недорогие датчики температуры. Принцип действия основан на измерении величины термоЭДС возникающей на спаях двух разнородных проводников при наличии разности температур на спаях (Эффект Зеебека). Термопары позволяют измерять температуры от -200 до +1800°С. Одним из недостатков термопар является необходимость использования термокомпенсирующих проводов и необходимость компенсации температуры холодного спая.

Достоинством термопар является взаимозаменяемость, простота, низкая стоимость.

Широко применяемые термопары стандартизированы и имеют стандартные номинальные статические характеристики (НСХ). Например: J (железо/константан); К (хромель/алюмель); Е (хромель/константан); L (хромель/копель); М (медь/копель). Точность и воспроизводимость НСХ обеспечивается стабильностью используемых материалов, надежностью и качеством спаев, защитой от вредных внешних воздействий.

Конструктивно термопары помещают в защитные кожуха и снабжают головкой с клеммами для подключения к измерительным цепям Рисунок 6.

11

Рисунок 6 - Датчик температуры в защитной арматуре.

Широко распространенными датчиками являются термометры сопротивлений. Их принцип действия основан на зависимости величины сопротивления чувствительного элемента от его температуры. Материалы,

используемые для чувствительных элементов должны иметь стабильную и хорошо воспроизводимую зависимость сопротивления от температуры.

Точность определения температуры может достигать ±0,02°С. Наиболее распространены термометры сопротивления изготовленные из платины и меди (ТСП и ТСМ соответственно с НСХ 50П, 100П, Pt100, 50М, 100М).

Воспроизведение НСХ терморезистора обеспечивается подгонкой его номинального значения при температуре 0°С и идентичностью свойств материала обеспечивающей значение сопротивления при температуре 100°С.

Величина сопротивления этого датчика в диапазоне температур от 0 до

100 градусов изменяется в 1,385 раза, что позволяет определять температуру с достаточной точностью. Недостатком термометра сопротивления является необходимость учета сопротивления подводящих проводов. При двухпроводной схеме подключения датчика сопротивление подводящих проводов суммируется с сопротивлением датчика и приводит к ошибке измерения, причем ошибка прямо пропорциональна соотношению сопротивления соединительных проводов сопротивлению датчика.

Подключение датчика по четырехпроводной схеме полностью исключае

12

влияние сопротивления соединительных проводов на точность измерения температуры.

Измерение температуры с помощью термопар и термометров сопротивления сводится к измерению величины термо ЭДС имеющей порядок долей милливольта или величины сопротивления, и далее расчетам по таблицам (НСХ) значения температуры. Измерение малых напряжений и сопротивлений возможно проводить с применением мостовых схем, но в настояще время с развитием микропроцессорной техники измерение значений и расчет по НСХ производятся микропроцессорными вычислителями.

Радиационные пирометры используют тепловое действие полного излучения нагретого тела, включая как видимое, так и не видимое излучение.

В связи с этим радиационные пирометры называются также пирометрами полного излучения.

Рисунок 7 - Радиационный пирометр:1- объектив; 2- зачерненная пластина; 3 – батарея термопар

В качестве чувствительного элемента в радиационных пирометрах используется термобатарея из нескольких миниатюрных последовательно соединенных термопар, рабочие спаи которых нагреваются излучением объекта измерения фокусируемых с помощью оптическойсистемы.

Возникающая термо-ЭДС измеряется с помощью милливольтметра градуированного в градусах.

При одинаковой температуре способность к излучению различна у разных поверхностей. Наибольшей излучающей и поглощающей способностью обладает так называемое абсолютно черное тело. Реально существующие в природе тела не обладают свойствами абсолютно черного тела, но могут иметь близкие к нему свойства. Например, излучающая

13

способность графита в порошке составляет 95% по отношению к излучающей способности абсолютно черного тела.

Оптическая система пирометра направляет на чувствительный элемент излучение из определенного телесного угла. Оптическим разрешением пирометра называют отношение расстояния до измеряемого объекта к диаметру пятна на поверхности объекта, излучение с которого регистрируется пирометром. Естественно, что размер пятна должен быть меньше объекта,

температуру которого измеряют.

Рисунок 8 – Размер пятна измерения от расстояния Зависимость между полной энергией излучения абсолютно черного тела

и его температурой выражается уравнением

= 4

где, Е, - полная энергия излучаемая телом при абсолютной температуре Т за одну секунду с поверхности площадью 1 см2;

σ- коэффициент пропорциональности, равный 5,75 Вт/см3 град.

Для тел, не являющихся абсолютно черными,

= 4

где, в, - коэффициент излучающей способности, определенный для полного излучения тела

Радиационные пирометры градуируются по абсолютно черному телу и показывают так называемую "радиационную" температуру. Связь между истинной температурой тела и его радиационной температурой, показываемой прибором, находится из формул

14

4 1

= √

где, - радиационная температура тела, показываемая радиационным пирометром.

Так как , <1, то истинная температура больше радиационной.

Отдельные типы пирометров позволяют устанавливать коэффициент излучения объекта, если он известен. Поправки, которые необходимо вносить в показания радиационного пирометра для определения истинной температуры, могут быть весьма значительными, если объект измерения по своим радиационным свойствам значительно отличается от абсолютно черного тела.

Возможно также измерение температуры тел, более холодных, чем окружающая среда. В последнем случае термобатарея не нагревается, а

охлаждается во время радиационного теплообмена между ней и объектом измерения. В условиях, когда разница температур объекта измерения и окружающей среды невелика, необходимо тщательное термостатирование свободных концов термопар или всего корпуса телескопа пирометра.

Основные причины погрешностей являются недостаточная прозрачность среды, загрязнения оптики, несоответствие размеров поверхности оптического разрешения и расстояния до объекта, ошибки прицеливания.

В технике для измерения высоких температур находят применение также оптические пирометры с исчезающей нитью. С повышением температуры выше 600°С нагретые тела начинают излучать в видимой части спектра. Принцип действия оптического пирометра с исчезающей нитью основан на сравнении монохроматической яркости излучения накаленного тела с монохроматической яркостью излучения нити специальной пирометрической лампы накаливания. Схематически пирометр с исчезающей нитью изображен на Рисунок 9.

15

Рисунок 9 - Пирометр с исчезающей нитью.

Оптическая система пирометра представляет собой телескоп с объективом и окуляром. Перед окуляром помещен узкополосный красный светофильтр. Спектральная характеристика пропускания светофильтра подбирается с учетом спектральной чувствительности глаза так, чтобы при рассматривании объекта через светофильтр наибольшая видимая яркость соответствовала бы длине волны около 0,65 мкм. В фокусе объектива находится вольфрамовая нить пирометрической лампочки. Нить лампочки питается от аккумулятора; ее накал можно регулировать вручную реостатом.

В поле зрения телескопа наблюдатель видит участок излучающей поверхности накаленного тела (объекта измерения) и на этом фоне нить лампочки. Если яркости нити и накаленного тела неодинаковы, нить будет видна более темной или более светлой, чем фон. Регулируя накал нити реостатом, наблюдатель добивается равенства яркостей, при этом изображение нити сольется с фоном и станет неразличимо (нить "исчезнет"). В этот момент яркостная температура нити равна яркостной температуре объекта измерения. Глаз весьма чувствителен к различению яркостей и момент "исчезновения" нити улавливается с достаточной уверенностью. Показывающий прибор,

включенный в цепь нити накаливания, градуируется по образцовому пирометру или по температурным лампам, в °С яркостной температуры.

Подобные пирометры часто применяются в металлургии.

16

Как указывалось выше, если объект измерения по своей излучающей способности близок к абсолютно черному телу, то показываемая пирометром яркостная температура равна истинной температуре объекта. Однако излучающая способность реальных физических тел не достигает излучающей способности абсолютно черного тела. Поэтому при одинаковой яркости излучения, т.е. при одинаковой яркостной температуре, истинная температура Т реального физического тела будет выше яркостной температуры TS,

показываемой оптическим пирометром.

Колебания коэффициента излучения в зависимости от состава и температуры металла и состояния его наблюдаемой поверхности являются одним из основных источников погрешностей измерения температуры оптическими пирометрами.

Оборудование лабораторной работы.

В работе используется калибратор температуры «150°С» с двумя нагреваемыми поверхностями и инфракрасный пирометр Testo 830-T1.

Порядок выполнения лабораторной работы.

1.Включите питание стенда и калибратор «150°С»:

2.Подключите ноутбук.

3.Запустите программу «Калибратор» и установите значение уставки для калибратора «150°С» равное 100.

4.Дождитесь выхода калибратора на режим, установите на пирометре коэффициент излучения равным 1 и измерьте радиационные температуры поверхностей 1 и 2 с расстояния 30 см, запишите результаты измерений в таблицу 1.

17

Таблица 2 - Расчетные значения коэффициентов излучения поверхностей 1, 2

5.Определите коэффициенты излучения поверхностей 1 и 2, как частное от деления четвертой степени радиационной температуры на четвертую степень истинной температуры тела по показаниям регулятора калибратора на момент измерения.

6.Установите на пирометре коэффициент излучения, рассчитанный для поверхности 1, и измерьте температуру поверхностей 1 и 2, занесите результаты в таблицу 1.

7.Установите на пирометре коэффициент излучения, рассчитанный для поверхности 2, измерьте температуру поверхностей 1 и 2, занесите данные в таблицу 1. Оцените погрешность измерения температуры при использовании расчётного значения коэффициента излучения. Объясните полученные результаты;

8.Установите на пирометре коэффициент излучения для поверхности 1

или 2 и измерьте температуру этой поверхности с расстояний 100, 200, 300, 400, 500, 700, 1000, 1500 мм. Занесите данные в таблицу 2, сравните результаты с истинной температурой по показаниям калибратора, оцените ошибку измерения на малых расстояниях. Объясните увеличение ошибки на расстояниях более 1000 мм.

Таблица 3 – Данные температуры и ошибки измерения

18

Вывод: В ходе лабораторной работе я изучил контактные и бесконтактные способы измерения температуры. В контактных я изучил термопары и термометры, которые мы используем в других наших предметах.

И изучили инфракрасный пирометр и с помощью него мы измерили поверхности 1 и 2 на калибраторе. Также можно сделать вывод, что при использовании пирометра, что чем темнее поверхность, тем точнее будет температура на пирометре. И также можно предложить, что ошибка измерения тем больше, чем меньше расстояния измерения из-за маленького пятна измерения пирометра. Таким образом можно сказать, что поверхность по середине горячее нежели по бокам.

Контрольные вопросы:

1.В чем сущность контактной и неконтактной термометрии?

Контактные способы измерения температуры основаны на непосредственном контакте измерительного преобразователя температуры с исследуемым объектом, в результате чего реализуется состояние теплового равновесия преобразователя и объекта. Бесконтактный способ основан на восприятии тепловой энергии, передаваемой через лучеиспускание и воспринимаемой на некотором расстоянии от исследуемого объёма. Этот способ менее чувствителен, чем контактный.

2.Необходимость применения бесконтактных методов измерения температуры

Бесконтактные измерения температуры незаменимы в тех случаях, когда нежелательно, невозможно, сложно или опасно обеспечить механический контакт датчика с объектом измерения. Не так легко определить температуру находящегося в движении объекта, например быстродвижущейся бумажной ленты, или вращающегося барабана бетономешалки, или потока горячего асфальта.

3.Назовите типы контактных термометров

Волюметрические

19

Дилатометрические

Радиометрические

4.Какие виды стандартных справочных данных используются в термометрии?

Температуры перехода химически чистых веществ из одного агрегатного состояния в другое.

Исходные значения для установления начала отсчёта температуры и единицы измерения.

Расчётные формулы всех определяемых величин и их погрешностей.

5.Принцип действия яркостного пирометра.

Принцип действия яркостного пирометра заключается в визуальном сравнении цвета излучения объекта с эталонной яркостью и выводе температуры.

6.Принцип действия радиационного пирометра Принцип действия радиационного пирометра состоит в том, что поток

теплового излучения, испускаемого раскалённым телом, улавливается и фокусируется на теплочувствительной части прибора, соединённой с термопарой.

20