Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Сборник задач и вопросов по курсу «Физические основы измерений и эталоны»
.pdf
46. Приведите принципиальную оптическую схему: а)
однолучевого одноволнового фотометра; б) двухлучевого
одноволнового фотометра с одним и двумя фотоприемниками.
47. В какой области спектра целесообразно использовать
спектрофотометры с кварцевой оптикой? Укажите, в каких приборах
используется кварцевая оптика, а в каких – стеклянная?
48. Какие источники излучения используются в фотометрических
приборах?
49. Почему в спектрофотометрах для УФ- и видимой областей
спектра кюветное отделение обычно размещают между
монохроматором и фотоприемником, а в инфракрасных
спектрофотометрах кюветное отделение размещают между
источником излучения и монохроматором?
50. Оптическую плотность растворов измеряют в кюветах
одинаковой толщины на фотометре и спектрофотометре. В каких
случаях результаты измерений будут различаться друг от друга?
51. Как будет меняться контур полосы поглощения,
регистрируемой спектрофотометром, в зависимости от: а) полосы
пропускания монохроматора; б) скорости сканирования?
52. Чем определяется выбор фотометрического прибора и длины
кюветы при измерении поглощения исследуемого образца?
53. Как проверяется градуировка шкалы длин волн (волновых
чисел) спектрофотометров: а) УФ-области; б) видимой области; в) ИКобласти?
54. Перечислите основные узлы люминесцентного прибора.
55. Приведите блок-схему флуориметра.
56. Приведите схему спектрофлуориметра. Каков режим работы
монохроматоров в случае регистрации спектров возбуждения и
флуоресценции?
57. Дайте пояснения понятия «скрещенные светофильтры».
58. Укажите способы размещения источника возбуждения и
фотоприемника относительно кюветного отделения с пробой при
регистрации спектра флуоресценции. В каких случаях целесообразно
использовать каждый из указанных способов?
59. Какие источники излучения применяются для возбуждения
спектров флуоресценции?
111
60. Чем кюветы, предназначенные для регистрации спектров
поглощения, отличаются от кювет, используемых для регистрации
спектров флуоресценции?
II. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ
Измерение температуры осуществляется различными
методами. Каждый метод имеет свои особенности определяемые как
принципом, так и применяемыми средствами и схемами их
подключения. Кроме того, при измерении температуры следует
учитывать взаимодействие между первичным преобразователем и
измеряемой средой.
Контактные термопреобразователи находятся в
непосредственном контакте со средой, температуру которой они
измеряют. Собственная температура контактного
термопреобразователя часто даже в статическом режиме отличается от
температуры измеряемой среды. Это отличие определяется
особенностями теплообмена между термопреобразователем и
измеряемой средой, конструктивными и теплофизическими
характеристиками самого термопреобразователя.
Показания жидкостных и манометрических термометров
расширения определяются температурой не только рабочего вещества,
находящегося в контакте с измеряемой средой, но и выступающей,
неконтактирующей части рабочего вещества, которая находится в
теплообмене с окружающей средой. Если конструкцией или
условиями эксплуатации предусмотрено наличие неконтактирующей с
измеряемой средой части, то градуировка такого термометра должна
производиться при определенной температуре выступающей части.
Изменение температуры выступающей части относительно
градуировочного значения вызовет изменение показаний термометра.
Изменение показаний манометрических термометров
возможно также за счет изменения давления независимо от значения
температуры. Например, одним из таких факторов может быть
разность уровней между термобаллоном и манометром для
жидкостных манометрических термометров. Изменение показаний
имеет место при изменении барометрического давления.
При измерении термо-ЭДС могут иметь место ошибки в
оценке действительного значения термо-ЭДС термоэлектрического
112
термометра, которые вызываются неучетом некоторых свойств
Тип термопары
∙10
−
200–
0
0–
100
1,3
−1,
1
0
0
0
Медь
–
−
200÷−
100
−
100÷
400
3
−
20
0
−
100
0
−
200÷−
100
−
100÷
400
400÷
900
3
−
20
0
7,5
−
100
0
400
−50÷300
300–
800
2,5
0
6
0
300
Никельхром
–
−
100÷
400
400–
900
4 7,5
0
400
Никельхром
–
−
200÷−
100
400–
1300
−
10
7,5
−
100
400
10
%
0–
300
300–
160
0
1,5
0
2
0
300
0–
600
600–
1600
3
0
5
0
600
30
%
6
%) В
300–
600
600–
1800
3
0
5
0
600
5
%
20
%
0–
1000
1000
–1800
1800
–2500
5
10
0
6
11,5
0
1000
1800
термоэлектрических цепей, а также неправильной оценкой
температуры свободных концов или неучетом свойств удлиняющих
термоэлектродных проводов.
Типы некоторых термоэлектрических преобразователей и их
обозначения приведены в табл. 2.1.
Таблица 2.1. Термоэлектрические преобразователи
,
0
С
, 0С
(обозначение)
Медькопелевая
медноникелевая Т
Железо –
медноникелевая
Хромель – копелевая
медноникелевая Е
Рабочий диапазон, 0С
никельалюминиевая
Платинородий (
Платинородий (
Вольфрамрений (
– вольфрамрениевая
термоэлектродвижущей силы, мВ, от градуировочных характеристик,
определяются из выражения
К
(ранее хромель –
алюмелевая ХА)
– платиновая
– платинородиевая
(
(
)
)
)
)
−100÷400
1-й класс
точности
2-й класс
точности
4
0
Допускаемые отклонения измеряемых значений
113
0
∆=±[+
р.к
.
−
]
где
,
– температура рабочего конца термометра,
р.к.
0
С; =(
(2.1)
⁄ )
– коэффициент преобразования термометра, определяемый на основе
его градуировочной характеристики; ,, – коэффициенты,
определяемые из табл. 2.1.
Допускаемые отклонения, выраженные в градусах,
определяются частью выражения (2.1), заключенного в квадратные
скобки.
В задачах по расчету характеристик милливольтметров следует
обратить внимание на связь угла поворота рамки с параметрами
магнитного поля и размерами рамки. Следует иметь в виду, что
вращающий момент рамки при заданных ее размерах зависит не
только от значения индукции магнитного поля в зазоре, но и от
направления вектора индукции относительно плоскости рамки.
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). Шкала
может быть отградуирована в градусах при определенной зависимости
между напряжением на зажимах милливольтметра и термо-ЭДС
термоэлектрического термометра, которые различаются на значение
падения напряжения во внешней цепи прибора. Поэтому
сопротивление внешней цепи должно иметь определенное значение.
Изменение его вызовет изменение показаний прибора.
В задачах по потенциометрическим схемам в первую очередь
следует четко понять физический смысл компенсационного метода
измерений: термо-ЭДС термоэлектрического термометра равна по
значению и противоположна по знаку разности потенциалов на
компенсирующем участке измерительной схемы потенциометра.
Математическое выражение равновесия потенциометрической схемы
измерения легко получить, используя второй закон Кирхгофа для
замкнутого участка измерительной схемы, включающего термометр и
усилитель.
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
114
температуры свободных концов необходимо пользоваться
=
(
)
∆=
Т−
С=
−
к
−
выражением равновесия потенциометрической схемы в общем виде,
когда движок реохорда занимает произвольное положение.
В задачах по электрическим термометрам сопротивления
следует обратить внимание на все особенности, связанные с работой
термометров сопротивления и измерительных схем. Так как значение
температуры определяется по значению сопротивления
чувствительного элемента термометра, то могут иметь место ошибки в
определении этого сопротивления. Эти ошибки вызываются
изменением сопротивления либо линий связи, либо чувствительного
элемента за счет самонагрева, либо другими причинами, которые
изменяют сопротивление термометра независимо от значения
температуры измеряемой среды.
Зависимость сопротивления полупроводниковых термометров
от температуры имеет вид
,
где – текущее значение температуры, К;
– значение
(2.2)
сопротивления при температуре =293 К; – коэффициент,
зависящий от свойств полупроводникового материала.
Сопротивление термометров в промышленных условиях
измеряется мостами либо логометрами. Неуравновешенные мосты
редко используются из-за двух основных недостатков: нелинейности
градуировочной характеристики и зависимости их показаний от
значения напряжения питания. Наибольшее распространение
получили уравновешенные мосты. При решении задач по мостовым
схемам основным уравнением является математическое выражение
условия равновесия мостовой схемы (произведения значений
сопротивлений противолежащих плеч должны быть равны).
При измерении температуры контактными термопреобразователями могут возникнуть значительные погрешности, обусловленные
отводом теплоты от чувствительного элемента за счет теплоотдачи по
чехлу и теплоотвода излучением.
Погрешность ∆ измерения температуры газа, вызванная
лучистым теплообменом между чехлом термопреобразователя и
стенкой трубы, определяется из выражения
пр
Т
ст
,
(2.3)
115
где С,Т,
∆=
Т−
С=
−
С
∗−
С=
+
Т=
термопреобразователя и стенки, К;
конвекцией между термопреобразователем и измеряемой средой,
2
Вт/(м
∙К); =5,67 Вт/(м
черного тела;
– соответственно температура измеряемой среды,
ст
– коэффициент теплоотдачи
к
2∙К4
) – коэффициент излучения абсолютно
– приведенный коэффициент теплового излучения,
пр
характеризующий теплообмен между термопреобразователем и
стенкой.
Когда поверхность стенки значительно больше поверхности
термопреобразователя (ст≫
), можно считать, что приведенный
Т
коэффициент теплового излучения практически равен коэффициенту
теплового излучения термопреобразователя (пр=
).
Т
Погрешность ∆ измерения температуры за счет теплоотвода
по чехлу определяется по формуле
ст
,
(2.4)
где – коэффициент теплоотдачи между термопреобразователем и
измеряемой средой, Вт/(м
2
∙К); и – периметр, м, и площадь, м
2
поперечного сечения чехла термопреобразователя; – коэффициент
теплопроводности материала термопреобразователя, Вт/(м∙К); –
глубина погружения чехла в измеряемую среду, м.
При измерении температуры высокоскоростных газовых
потоков возникает погрешность, вызванная торможением потока.
Связь между статической (или термодинамической)
температурой потока С и температурой торможения
∗
, которую
принимает поток при полном его адиабатном торможении, выражается
формулой
,
где – скорость движения потока, м/с;
– удельная теплоемкость
(2.5)
газа при постоянном давлении, Дж/(кг∙К).
В задачах, связанных с тепловой инерцией
термопреобразователей, коэффициент теплоотдачи за время
переходного процесса считается неизменным, а сам процесс
описывается уравнением первого порядка
Т
д
, (2.6)
С
,
116
где
– текущее значение температуры термопреобразователя,
Т
соответствующее времени после скачкообразного изменения
температуры среды до значения С;
– постоянная времени, с.
д
Тепловая инерция вызывает появление динамической
погрешности, которая представляет собой разность текущего значения
температуры термопреобразователя Т и температуры среды
.
С
На законах излучения основывается ряд бесконтактных
методов измерения температуры. Наибольшее распространение
получили следующие методы измерения температуры по излучению:
квазимонохроматической (яркостный) метод,
использующий зависимость спектральной энергетической яркости
тела от температуры;
метод спектрального отношения (цветовой),
основанный на перераспределении с температурой спектральных
энергетических яркостей внутри данного участка спектра (отношения
двух спектральных энергетических яркостей);
метод полного излучения (радиационный), основанный
на зависимости энергетической яркости тела от температуры в
широком спектральном интервале.
В связи с разнообразием излучательных свойств реальных тел
пирометры излучения градуируются по излучению абсолютно черного
тела. Поэтому значения температуры реальных тел, отсчитанные по
пирометрам излучения, являются не действительными температурами
тела, а псевдотемпературами. Эти псевдотемпературы носят
соответствующие названия: яркостная, цветовая и радиационная
температура тела. Например, яркостной температурой
реального
я
физического тела называется такая температура абсолютно черного
тела, при которой спектральная энергетическая яркость абсолютно
черного тела
равна спектральной энергетической яркости
я
реального физического тела при его действительной температуре .
Аналогично можно дать определения для цветовой и
радиационной температур исходя из зависимостей, положенных в
основу этих методов. В том, что пирометры излучения позволяют
измерять только псевдотемпературы реальных тел, заключается
принципиальный недостаток этих методов измерения температуры.
Применение терморезисторов (термисторов) для измерения
температуры. Терморезисторы (термисторы), сопротивление которых
сильно изменяется в зависимости от температуры, могут иметь как
117
положительный, так и отрицательный коэффициент сопротивления.
=exp
=
Термисторы с положительным температурным коэффициентом
сопротивления называются позисторами. Благодаря чувствительности
к температуре термисторы используются для точного измерения
температуры и построения систем автоматического управления или
регулирования температурой как на производстве, так и в
лабораториях. Механическая прочность и защита от воздействий
окружающей среды термисторов обеспечивается с помощью
металлического корпуса или защитного изолирующего слоя.
Термисторы имеют нелинейную вольт-амперную характеристику и
очень высокую температурную чувствительность по сравнению с
другими типами датчиков температуры. Среднее значение
температурного коэффициента сопротивления для термисторов
составляет 5% на один градус, в то время как для платинового
термопреобразователя он составляет 0,4% на один градус:
,
(2.7)
где – сопротивление при бесконечно большой температуре; –
коэффициент температурной чувствительности (его значения обычно
лежат в диапазоне 1200…16000).
Средний температурный интервал использования термисторов
достаточно узок (−60…+150
он расширен до −60…+300
0
С), для некоторых видов термисторов
0
С. Большим достоинством термисторов
является их большое сопротивление, так как это свойство устраняет
проблему, связанную с компенсацией падения напряжения на
подводящих проводах, или проблему, связанную с необходимостью
усиления сигнала для термопар (до 2000-кратного).
Зависимость сопротивления термисторов от температуры в
диапазоне нескольких десятков градусов обычно принято описывать
экспоненциальной функцией. Из выражения для
можно получить
связь между температурным коэффициентом сопротивления
терморезистора и коэффициентом температурной чувствительности
в виде
. (2.8)
Величину температурного коэффициента сопротивления
обычно приводят в справочниках для температуры 20 0С (293 К).
Протекание тока через терморезистор ведет к его нагреву. Это
увеличивает погрешность измерений. Поэтому при выборе
118
терморезистора учитывают его коэффициент рассеяния, который
определяется как мощность, приводящая к нагреву терморезистора на
один градус относительно температуры окружающей среды.
Для снижения погрешности, вызванной собственным
разогревом термитсора, следует увеличивать площадь его
поверхности, однако это приводит к увеличению тепловой
инерционности термистора. Тепловая инерционность характеризуется
величиной, называемой постоянной времени. Постоянная времени
термистора равна времени, в течение которого его температура
изменяется в раз (на 63%) при перенесении термистора из
воздушной среды, имеющей температуру 0
температурой 100
0
С. Средние значения постоянных времени лежат в
0
С, в воздушную среду с
диапазоне от десятых долей секунды до нескольких минут.
Термоэлектрические преобразователи. В 1821 г. немецкий
ученый Т.И. Зеебек обнаружил, что если спаи двух разнородных
металлов, образующих замкнутую электрическую цепь, имеют
неодинаковую температуру, то в цепи протекает электрический ток.
Изменение знака у разности температур спаев сопровождается
изменением направления тока.
Эффект Зеебека состоит в том, что в замкнутой цепи,
состоящей из разнородных проводников, возникает термоэлектродвижущая сила (термо-ЭДС), если места контактов поддерживать при
разных температурах.
Этот факт послужил основой для создания устройства,
чувствительным элементом которого является термопара, состоящая
из двух разнородных проводников. Соединение проводников (рабочий
спай) при измерениях располагается в рабочей зоне исследуемого
объекта, а других два (свободных) конца проводников подключаются
в измерительную цепь или непосредственно к измерительному
прибору. Температура свободных концов должна быть заранее
известна. Поэтому их размещают в термостате или в результаты
измерений вносят поправку на температуру окружающей среды.
Термопара образует устройство (или его часть), использующее
термоэлектрический эффект для измерения температуры. Под
термоэлектрическим эффектом понимается генерирование термо-ЭДС,
возникающей из-за разности температур между двумя контактными
соединениями различных металлов или сплавов, образующих часть
одной и той же цепи.
119
Для бесконечно малой разности температур спаев
=
=
−
термопары, состоящей из проводников и , ее термо-ЭДС
определяется зависимостью =, где
термо-ЭДС пары . Величину
называют также коэффициентом
– дифференциальная
термо-ЭДС, коэффициентом Зеебека или чувствительностью
термопары.
Термо-ЭДС термопары обусловлена тремя причинами.
Первая причина заключается в зависимости уровня Ферми
(верхнего заполненного электронами энергетического уровня) в
проводнике от температуры. Это приводит к неодинаковым скачкам
потенциала в спаях термопары при переходе из одного металла в
другой, находящихся при разных температурах.
Вторая причина заключается в приобретении электронами при
наличии градиента температуры в области горячего спая проводников
более высокой энергии и подвижности.
Третья причина заключается в возникновении вдоль
проводника градиента концентрации электронов с повышенными
значениями энергии, который приводит к возникновению диффузии
более быстрых электронов к холодному спаю термопары, а более
медленных – к горячему. Диффузионный поток быстрых электронов
превалирует над потоком медленных. Дополнительно к потокам
диффузии электронов при наличии градиента температуры вдоль
проводника добавляется дрейф фононов – квантов энергии колебаний
кристаллической решетки. Сталкиваясь с электронами, фононы
сообщают им направленное движение от более нагретого спая
проводника к более холодному. Последние два процесса приводят к
избытку электронов вблизи холодного конца и недостатку их вблизи
горячего конца. В результате такого распределения электронов внутри
проводника возникает электрическое поле, направленное навстречу
градиенту температуры. В итоге термо-ЭДС термопары возникает
только из-за наличия продольного градиента температуры в
проводниках, составляющих пару.
Дифференциальная термо-ЭДС (чувствительность) термопары
представляет собой разность абсолютных удельных
коэффициентов термо-ЭДС и
,
каждого проводника термопары:
(2.9)
которую можно считать постоянной только в узком диапазоне
температур. Абсолютный коэффициент термо-ЭДС () данного
120
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]