Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теория и практика теплофизического эксперимента. Учебное пособие
.pdf
3.3. Виды, методы и средства измерений
Технические средства, имеющие эти характеристики, называют средствами измерений. Основными видами средств
измерения являются меры, измерительные приборы, измерительные преобразователи, устройства и информационные измерительные системы.
Средства измерения в зависимости от их назначения делят
на три категории: рабочие, образцовые и эталоны.
Рабочие — предназначены для повседневных измерений;
подразделяются на лабораторные (повышенной точности) и
технически
Образцовые — использу
е.
ются для поверки и градуировки
рабочих мер, измерительных приборов и преобразователей.
Эталоны — служат для воспроизводства и хранения единиц измерения с наивысшей точностью, достигнутой на данном уровне развития науки и техники.
Измерения в зависимости от назначения и предъявляемых
требований к точности результатов подразделяют на лабораторные и т
По способу полу
ехнические.
чения численного значения искомой величины измерения подразделяют на три вида: прямые, косвенные, совместные или совокупные.
Совокупность физических явлений, на которых основаны
измерения, называется принципом измерения, а совокупность
приемов использования средств измерения и принципов измерений — методом измерений. Различают два основных метода
измерений: непосредственной оценки и сравнен
По способу проведени
я измерения метод сравнения под-
ия с мерой.
разделяют на нулевой, разностный (дифференциальный) методы и метод совпадения. Подробности о метрологических характеристиках средств измерений изложены в работах [1; 2].
Глава 4. Методы определения температуры
Глава 4
МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ
4.1. Основные способы определения температуры
Непосредственно измерить температуру тела невозможно;
она измеряется косвенным путем с использованием температурной зависимости какого-либо физического свойства термометрического тела. В качестве такого используют тела, у
которых удобные для непосредственного измерения физические свойства однозначно зависят от температуры. Бывают контактные и бесконтактные способы измерения температуры.
Контактные термометры различаются по принципу действия:
а) теплово
лянные термометры и термометры с твердым термометрическим телом: дилатометрические и биметаллические;
б) измерение давления вещества — манометрические термометры, представляющие собой замкнутую герметичную
термосистему, состоящую из термобаллона, манометрической
пружины и соединяющего их капилляра (диапазон –
600 °С);
+
в) температурная зависимость термоэдс — термопары;
г) температурная зависимость электрического сопротивления вещества — электрические термометры сопротивления.
Бесконтактные измерения осуществляются оптическими
методами.
В таблице 1 указаны пределы применения промышленных
средств измерения температуры.
е расширение вещества — это жидкостно-стек-
150…
22
4.1. Основные способы определения температуры
Таблица 1
Пределы применения промышленных средств
измерения температуры
Тип средства
измерения
Разновидность
средства измерения
Пределы длительного
применения, С
Нижний Верхний
Термометры
расширения
Термометры
сопротивления
Термоэлектрические термометры
Пирометры Квазимонохроматические
Жидкостные стеклянные термометры
Манометрические термометры
200
–
200 (– 272)
–
600
1000
Mеталлические (проводни-
ковые) термометры сопротивления
Полупроводниковые термометры сопротивления
260
–
272
–
1100
600
Термоэлектрические термо-
2200
(2800)
6000
(100
000)
2800—3500
(–
200
270)
метры –
700
Спектрального отношения
Полного излучения
300
50
–
4.2. Средства измерения температуры контактным способом
Устройство жидкостных стеклянных термометров достаточно известно. Достоинства их — высокая точность и дешевизна. Недостатки — недостаточная видимость шкалы, невозможность: автоматической регистрации показаний; ремонта.
Существуют ртутные электроконтактные термометры для
поддержания постоянной температуры или сигнализации заданной температуры в диапазоне –
30…+ 30 °С. Термометры
выпускаются с постоянным и подвижным рабочими контактами, которые могут быть установлены на любом значении температуры в пределах шкалы [3].
23
Глава 4. Методы определения температуры
Манометрические термометры бывают газовыми — ГОСТ
8624-80 (–
стными — ГОСТ 8624-80 (–
спирт, метаксилол); конденсационными (–
200…+ 600 °С); специальными (от – 267 °С); жидко-
150…+ 300 °С: ртуть, пропиловый
50…+ 300 °С: фре-
он-22, пропилен, хлористый метил, ацетон и этилбензол).
Термометры, заполненные гелием, используются для измерения сверхнизких температур — от 0,8 К). Газовые и жидкостные термометры имеют класс точности 1, 1,5 и 2,5, конденсационные — 1,5, 2,5 и 4.
Термоэлектрические термометры основаны на измерении
термоэдс, возникающей в замкнутой цепи при наличии разности температур спаев разнородных металлов или спла
вов (эффект Зеебека). Величина термоэдс пропорциональна разности
температур, значение коэффициента пропорциональности определяется как Ln(n
), где ni — концентрация электронов в
1/n2
металлах. Достоинства этого способа: возможность измерения
температуры в отдельных точках объекта, малая тепловая инерция, простота изготовления. Остальные достоинства обусловлены электрической природой выходного сигнала термометра.
Различные схемы подключения показаны на рисунке 1: в
схеме а температуры t’ и t” могут быть любыми, но обязательно
одинаковыми — t’ = t”; в сх
еме б желательно, чтобы t0’ = t0” и
они были близки к температуре холодного спая. Существенно
то, что число переходных спаев может быть сколь угодно
большим, лишь бы все они находились при одинаковой, близкой к t
температуре.
0
24
Рис. 1. Схемы подключения измерительного прибора
а б
к термопарной цепи
4.2. Средства измерения температуры контактным способом
Для измерения малой разности температур можно использовать термобатарею — ряд последовательно соединенных
термопар — гипертермопару, что позволяет повысить сигнал в
n раз, где n — число термопар в батарее. При этом погрешность измерения термоэдс уменьшается приблизительно в n раз,
но точность измерения температуры не повышается существенно. Дифференциальный термоэлектрический термометр
позволяет измерять разность тем
ператур в двух точках объек-
та при условии, что он не металлический.
Стандартные термоэлектрические термометры даны в таблице 2. При подключении к термопаре милливольтметра появляется методическая погрешность, обусловленная падением
потенциала в измерительной цепи из-за протекания по ней
электрического тока. Поэтому разность потенциалов на клеммах милливольтметра, которую показывает прибор, не совп
дает с измеряемой термоэдс.
Термоэлектрические термометры
Тип термопары
Медь-копелевая
Медь-медноникелевая
Железо-медноникелевая
Хромель-копелевая
Никельхром-медноникелевая
Никельхром-никельалюминиевая (хромель-алюминиевая)
Платинородий (10
%)-плати-
новая
Платинородий (30
%)-плати-
новая
Вольфрамрений (5
рaмрениевая (20
%)-вольф-
%)
Обозна-
чение
новое
(старое)
—
Т
Y
(ХК)
Е
К (ХА)
S
В (ПР)
(ВР)
Рабочий
диапазон,
°С
200…+100
–
200…+400
–
200…+700
–
50…+600
–
100…+700
–
200…+1000
–
0…1300
300…1600
0…2200
кратковременного
Таблица 2
Максимальная
температура
режима работы
—
—
900
800
900
1300
1600
1800
2500
а-
25
Глава 4. Методы определения температуры
При использовании компенсационного метода в момент измерения термоэдс компенсируется,
ток по цепи не течет, поэтому сопротивление цепи не влияет на
точность измерения.
Электрические термометры сопротивления основаны на температурной зависимости электрического сопротивления термометрического вещества и широко применяются в диапазоне –
Рис. 2
Температурный коэффициент
для большинства чистых метал-
лов находится в пределах 3,5…6,5
– 3
· 10
(I/К). Для полупровод-
260…+ 750 °С.
никовых материалов ТКС отрицательный и на порядок больше, чем у металлов (0,01…0,15 К
– 1
). Наряду с очевидными до-
стоинствами терморезисторы имеют основной недостаток —
малое значение ТКС, в связи с чем для измерения небольших
изменений сопротивления необходимы высокочувствительные
и точные приборы. Конкретное устройство различных типов
терморезисторов дано в работе [2]. Необходимо отметить, что
полупроводниковые термопреобразователи сопротивления обладают индивидуальными градуировочными характеристиками из-за недостатков технологии их изготовления, поэтому
полностью требовани
е воспроизводимости не выполняется,
что ограничивает широкое применение полупроводниковых
термопреобразователей. В экспериментальной практике терморезисторы применяются для измерения как температуры,
так и других физических величин. Например, термонить термоанемометра используется для измерения температуры, скорости и других величин и представляет собой терморезистор.
Такую же роль играет термонить в манометри
ческой лампе
при определении вакуума.
26
4.2. Средства измерения температуры контактным способом
Терморезистор может быть использован для измерения
температуры твердых тел, особенно если они нагреваются
электрическим током.
4.3. Бесконтактные средства измерения температуры
Необходимость разработки бесконтактных методов измерения температуры обусловлена двумя причинами: 1) верхний
предел контактных методов ограничен значениями температуры — ~ 1800…2200
°С; 2) часто недопустим контакт термо-
метра с объектом или средой. Бесконтактные средства теоретически не имеют верхнего предела измерения, обеспечивают
меньшую точность, но зато не искажают температурное поле.
Наиболее широкое распространение получили средства,
которые измеряют температуру тела или среды по тепловому
излучению, называемые оптическими пирометрами (либо просто пирометрами). Существуют следующие типы пирометров:
квазимонохр
оматический (яркостный); спектрального отношения (цветовые); полного или частичного излучения (радиационные).
Действие яркостных пирометров основано на использовании зависимости спектральной интенсивности излучения (или
яркости) тела от его температуры.
Яркостные оптические пирометры являются наиболее простыми в обслуживании и широко распространенными промышленными и лабораторными приборами. Диапазон использовани
я — 1000…6000 К.
Так как энергия излучения реального тела всегда меньше
энергии излучения абсолютно черное тело (АЧТ), по которому
проградуирован пирометр, то с его помощью измеряется не
термодинамическая Т (истинная) температура тела, а так называемая яркостная T
, т. е. температура, при которой АЧТ излу-
s
чает столько же энергии, сколько и реальное тело. Следова-
27
Глава 4. Методы определения температуры
тельно, яркостная (измеренная) температура всегда меньше
истинной. Найдем соотношение между ними. Согласно определению
I
(T) = I
λ
(Ts). (4.1)
λ,b
Используя закон излучения Вина, получим
ε
λ,T (C1
– 5
λ
/exp(C2/λT)) = C1 λ
– 5
/ exp(C2/λTs). (4.2)
Преобразуя это выражение, найдем
T = T
· [1 + T
s
(λ/С2)Ln(ε
s
– 1
)]
. (4.3)
λ,T
Таким образом, для пересчета яркостной (измеренной)
температуры T
тральной степени черноты поверхности реального тела ε
необходимо знание монохроматической спек-
s
.
λ,T
Яркостные пирометры называют по принципу их действия
пирометрами с исчезающей нитью — изменением тока через
пирометрическую лампу добиваются равенства интенсивности
излучения лампы и поверхности тела, о чем судят по исчезновению изображения нити лампы на фоне свечения тела. Так
как между пирометром и объектом обычно находятся стекла,
призмы и другие, то результат измерения температуры объекта необходимо «поправлять» на «сте
рения проводятся на эффективной длине волны
кло» или «призму». Изме-
65,0
мкм.
Наряду с оптическими яркостными пирометрами существуют
яркостные фотоэлектрические пирометры, что позволяет освободиться от субъективного сравнения яркостей. Сравнивающим элементом в этом пирометре является фотоумножитель
(или фотоэлемент). Инерционность такого пирометра
1 с
(пирометр ФЭП-4). Фотоэлектрические пирометры могут быть
использованы в качестве датчиков устройств сигнализации и
терморегулирования. Такие приборы, как правило, работают
при
, отличающихся от 65,0
эф
0
мкм, погрешность —
1% при T 2000 °С и 1,5 % при T 2000 °С.
Принцип действия цветовых пирометров, или пирометров
спектрального отношения, основан на использовании зависимости отношения интенсивности излучения, измеренных в
28
4.3. Бесконтактные средства измерения температуры
двух узких спектральных интервалах (
и
I
1
) от температу-
I
2
ры излучающего тела. Они применяются для автоматического
измерения температур в диапазоне 1000…3000 К. Цветовые
пирометры измеряют условную цветовую температуру:
TI
цb
,
1
TI
,
2
цb
TI
1
. (4.4)
TI
2
,,
11
,,
22
TI
вТ
TI
вТ
Используя закон Вина, получим
11
ц
СТТ
21
ln
)(
212
)(
1
. (4.5)
)(
2
Так как излучение большинства реальных тел близко к излучению серых тел, то
1)(
. Отличие цветовой температуры Тц от термо-
,,
ТТ
21
)()(
, следовательно,
2,21,1
TТ
динамической температуры Т будет незначительно, в силу
чего они называются пирометрами истинной температуры
(ПИТ-5, например).
Цветовые пирометры имеют более низкую чувствительность, чем яркостные, в особенности при высоких температурах, но зато поправки на отличие радиационных свойств реального тела от АЧТ получаются значительно меньшими, чем
при использовании других методов. Широкое распространение полу
чил так называемый пирометр истиной температуры
ПИТ-1, в котором введение поправки осуществляется автоматически. Диапазон измерений — 800…2000
измерения истиной температуры вследствие изменения
1
от 0,3 до 1 не превышает
%. Другие марки (ЦЭП-3, ПИТ-5
°С. Погрешность
Т,
и др.) цветовых пирометров бывают одно- и двухканальными,
однако первые по понятным причинам вытесняют вторые.
Радиационные пирометры, или пирометры полного излучения, основаны на измерении температуры тела по плотности
потока интегрального излучения. Эти пирометры измеряют
29
Глава 4. Методы определения температуры
радиационную температуру Тр. Из закона Стефана — Больцмана получим
44
TT
TP
00
.
Отсюда
1
4
ТТ
. (4.6)
р
Т
Поскольку
Значение
пенью точности, чем
< 1, то Тр < Т всегда.
Т
)(Т
определено со значительно меньшей сте-
Т
, поэтому радиационные пирометры
Т,
обладают меньшей точностью, чем яркостные и цветовые. Неопределенность значений
для некоторых тел часто
Т
заставляет ограничиваться измерением только радиационной
температуры без ее пересчета на истинную.
В качестве термоприемника излучения чаще всего используют термобатареи из нескольких последовательно соединенных термопар. Оптические системы телескопов радиационных
пирометров бывают двух видов: рефракторная (с собирающей
линзой) и рефлекторная (с вогнутым зеркалом). Больше распространены телескопы с рефракторной системой, хотя их
градуировка является чисто эмпирической, не связанной с законами излучения, — рефракторная система обрезает длинноволновую часть спектра излучения, что вызывает значительные отклонения от закона Стефана — Больцмана.
При небольших плотностях потоков (невысокие температуры) применяют рефлекторные системы. Отсутствие в них
стекол обеспечивает соответствие пропускаемого излучения
закону Стефана — Больцмана, но зато отражательная способность зеркала меняется вследствие загрязнения и потускнения.
Инерционность радиационных пирометров 0,5…2 с. Серийно
выпускаются пирометры ОППИР-С и др. Остановимся более
подробно на преимуществах и недостатках методов измерения
температуры по излучению.
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]