Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физические основы измерений. Учебное пособие
.pdf
Из рис. 25 следует, что излучение АЧТ имеет максимум,
положение которого определяется значением термодинамической
температуры, т.е.:
λ
b
= , (7)
max
T
где b = 2898 мкм·К.
Этот закон, известный как закон Вина, позволяет измерять
температуру, фиксируя длину волны максимума излучения нагретого
тела. Поскольку реальные тела не соответствуют определениям
абсолютно черного тела, измеренная таким образом температура
будет отличаться от термодинамической. Ее принято называть цветовой,
поскольку нагретое тело имеет цветовой оттенок, определяемый
максимумом мощности излучения в определенном диапазоне длин
волн.
В терморезистивных термометрах используется свойство
проводников и полупроводников изменять сопротивление при
изменении температуры. Температурная зависимость сопротивления
имеет вид
Rt=R0(1+βT),
Коэффициент β для металлов положителен, для графита
(углерода) - отрицательный, т.е. при увеличении температуры
сопротивление графитовых стержней уменьшается.
На рис. 26 приведены температурные зависимости
сопротивления некоторых важнейших проводников и
полупроводников.
Металлический (проволочный) термометр сопротивления.
Температурный коэффициент сопротивления твердых
нелегированных металлов α≈0,004 С-1. Если обозначить
соответствующее температуре T1 сопротивление R1, а температуре T2
— R2. то с достаточной степенью точности в диапазоне до 100°С
справедлива зависимость).
R2= R1 [1 +α(T2 –T1)]
91
Рисунок 26 - Температурные характеристики важнейших
проводников и полупроводников
Таким образом, изменение сопротивления ∆R п
ропорцио-
нально разности температур ∆T. Наилучшим материалом для
изготовления термометров сопротивления является платина (α = 3,85-
10-3 С-1), позволяющая охватить температурный диапазон (—200)(+850)°С. Никель, обладающий температурным коэффициентом α =
6,17-10-3 С-1, благодаря его низкой стоимости применяют для
измерения температур, не превышающих 150°С. Каркасы
проволочных термометров сопротивлений изготовляют из слюды,
тугоплавкого стекла и специальной керамики. Изготовленный таким
образом чувствительный элемент помещают в защитный чехол из
легированной стали или бронзы. Защитный чехол и материал каркаса
аккумулируют тепло. Вследствие тепловой инерции постоянная
времени составляет 1-2 мин, поэтому подобные чувствительные
элементы применимы только для статических измерений температур.
Погрешность измерения с помощью термометров сопротивления
зависит от нелинейности статической характеристики, влияния
температуры на соединительные провода и колебания питающего
напряжения.
Характеристики термометров сопротивления: входная
величина – температура, выходная величина – сопротивление.
Диапазон измерения: для никелевых чувствительных элементов от -
92
200 до +150 °С, для платиновых от -30 до +850 °С. Погрешность
составляет от ±0,5 до ±6 °С в зависимости от схемы измерений. Для
прецизионных измерений может быть обеспечена абсолютная
погрешность 10-2, относительная 10-3 °С.
Преимуществами термометров сопротивления являются:
возможность обеспечения высокой точности измерения. К
недостаткам можно отнести большую инерционность устройства.
Полупроводниковые термометры сопротивления
(терморезисторы) Характерной особенностью полупроводников
является большой отрицательный температурный коэффициент
омического сопротивления. Сопротивление терморезистора
уменьшается при повышении температуры. При нагревании
изменение сопротивления терморезистора подчиняется зависимости
.еb/T
α
R =
,
где α - значение сопротивления, зависящее от величины и концентрации носителей зарядов полупроводникового материала; b -
энергетический коэффициент; Т - абсолютная температура.
Температурный коэффициент сопротивления зависит от температуры:
α
= ∆R/R∆T = b/Т2
Благодаря большому удельному сопротивлению используемых
полупроводниковых материалов терморезисторные чувствительные
элементы имеют малые габариты и незначительно аккумулируют
тепло. Поэтому терморезисторы, обладающие малыми размерами,
применимы для динамических измерений температур, а также для
определения температурных полей путем измерения ее в отдельных
точках. Перед употреблением терморезисторы должны подвергаться
старению.
Контактные термометры представляют собой самые массовые
средства измерения температуры.
Волюметрическими термометрами измеряют температуру
тела и температуру воздуха, дилатометрический датчик температуры
есть в каждом бытовом холодильнике.
Наиболее распространенный тип волюметрических термометров
представляет собой колбу с жидкостью или газом, заканчивающуюся
тонким капилляром. Над объемом термометрической жидкости
оставляют свободное пространство - вакуум,- которое заполняется при
93
температурном расширении жидкости. За капилляром устанавливается
шкала, отградуированная в единицах температуры. В ряде случаев для
более точных измерений уровень термометрической жидкости
измеряется с использованием зрительной трубы, положение которой
можно изменять вдоль направления расположения капилляра.
Зрительная труба термометра имеет шкалу с нониусом, что позволяет
проводить точные измерения.
Рисунок 27 - Схема контактного термометра
1 - объем со ртутью; 2 - подвижный контакт; 3 - температурная
шкала; 4 - вращающаяся головка с магнитами; 5 - винтовая пара
Газовые волюметрические термометры на практике
встречаются реже, чем жидкостные. Как правило, их применяют для
прецизионных измерений. Например, во многих установках высшей
точности используют именно газовые термометры в силу того, что
процесс изменения объема газа достаточно точно описывается
уравнениями газового состояния.
Волюметрические контактные термометры в ряде случаев
изготавливаются для порогового измерения температуры или для
поддержания фиксированной температуры системой автоматического
регулирования. Чаще всего такие термометры изготавливаются с
ртутным наполнением. Ртуть расширяясь, касается поверхностью
контактного проводника, положение которого фиксируется
специальным устройством. Положение проводника можно менять
94
вращением магнита, расположенного снаружи корпуса термометра
(см. рис 27).
В дилатометрических термометрах для получения
информации о температуре используется тепловое расширение твердых
тел, в основном, металлов. Принцип действия дилатометрических
датчиков температуры поясняется схемой (рис. 28).
Рисунок 28 - Схема дилатометрического термометра
Разновидностью дилатометрических термометров являются
датчики температуры с биметаллическими пластинами. Используя тот
же принцип работы - тепловое расширение тел при нагревании - в
биметаллических датчиках измеряется не удлинение, а изгиб пластины,
состоящей из двух металлов с разными температурными
коэффициентами расширения. Схема такого датчика, получившего
широкое применение в различных системах регулирования
температуры, приведена на рис. 29.
В решении специальных задач, например при измерении
температуры в экспериментальных установках, в ядерных реакторах, на
космических станциях и т. п. используются специальные методы
измерения температуры, основанные на специфических физических
явлениях. Например, температуру определяют путем измерения
давления насыщенных паров над поверхностью жидкой или твердой
фазы этого вещества. Для реальных веществ между давлением
насыщенного пара и температурой существует однозначная
зависимость:
торр
A
=-
+B+ClogT+D·T, (8)
T
log ρ
где А, В, С и D - эмпирические константы, известные практически для
всех чистых веществ. Таким образом, можно не только измерить
температуру по изменению давления, но и регулировать ее в замкнутом
объеме, меняя внешнее давление.
95
Рисунок 29- Схема биметаллического датчика температуры
Устройство, в котором реализован данный принцип получил в
технике измерений название «тепловая труба». Принцип действия
состоит в том, что в трубу из тугоплавкого металла помещается другой,
более легкоплавкий металл, имеющий значительную упругость пара при
тех температурах, на которые рассчитан термостат. Внутри трубы
легкоплавкий металл помещают на металлическую сетку из металла,
который хорошо смачивается металлом - наполнителем. Схема
термостата «тепловая труба» показана на рис. 30.
Рис. 30. Схема «тепловой трубы»
Действие тепловой трубы:
- внутрь тепловой трубы запускают буферный инертный газ до
ления ρт; дав
- включают СВЧ нагреватель.
Металл на сетке плавится и интенсивно испаряется. При этом температура устанавливается в точном соответствии с уравнением
упругости (8) для испаряемого металла. В холодных участках тепловой
трубы испаряемый металл конденсируется на сетке и по ней, как по
фитилю, за счет капиллярных сил возвращается в зону испарения.
Характерно, что температура внутри тепловой трубы не зависит от
мощности нагревателя, а определяется внешним давлением буферного
газа. Изменение проводимой нагревателем мощности приводит к
96
ускорению процесса свободной перегонки испаряемого металла, но не
изменяет температуры, при которой протекает процесс.
Для измерения низких температур в несколько Кельвин
используют специальные термометры. Например, для измерения
температуры, незначительно отличающейся от абсолютного нуля (Т <
1К) используется магнитный термометр, в котором используется
принцип адиабатического размагничивания парамагнитного вещества.
Магнитная проницаемость парамагнитных веществ зависит от
температуры, и для некоторых из них справедлив закон Кюри:
C
ε =
,
T
где С - константа, зависящая от намагничивания насыщения,
называемая константой Кюри. Константа Кюри устанавливается
экспериментально из гистерезисных измерений.
Температуры от 2 К до 70 К измеряют термометром, который
называют акустическим. Используется зависимость скорости звука в
газах С0 от температуры:
C
RT
C
ρ
= , (9)
0
μ
C
v
где Сρ/Сv - экстраполированное к нулевому давлению отношение теплоемкости при постоянном давлении к теплоемкости при постоянном
объеме; (µ - молекулярный вес газа; R - универсальная газовая постоянная.
Для одноатомных газов Сρ/Сv = 5/2. В акустическом термометре измеряют
скорость звука в газе и затем температура вычисляют по формуле (8).
Особый класс контактных термометров составляют
термопары. Их преимущество перед волюметрическими и дилатометрическими термометрами состоит в возможности регистрации
электрического сигнала, однозначно связанного с температурой.
Это позволяет изготавливать электронные термометры, в которых
измеряемой величиной является или разность потенциалов, или ток.
Кроме того, термопары для некоторых материалов, например для
платины и ее сплавов, обладают высокостабильными
воспроизводимыми электрическими характеристиками. Это дает
возможность использовать их в качестве образцовых средств измерения
или в качестве средств передачи размера единицы температуры от
одного эталона к другому.
97
Термопара представляет собой электрический контур (рис. 31),
образованный двумя проволоками из различных материалов,
спаянными или сваренными между собой (используются как металлы,
так и полупроводники). Датчиком излучения служит один спай двух
проволок, который нагревается под воздействием излучения, в то
время как другой спай служит для сравнения и находится при
постоянной температуре Т0 (например, при 0° С).
Рисунок 31 - Термопара,
состоящая из материалов А и
В
При больших мощностях излучения в качестве датчиков
используют зачерненные металлические пластинки, а термопары
присоединяются к их затененной тыльной стороне.
При температуре свободных концов T0 и температуре спая T
между свободными концами проволок возникает напряжение (термоЭДС):
U = k(T-T0) = k ∆T,
где k - постоянный коэффициент, не зависящий от геометрических
размеров и определяемый только материалом обоих проводников.
Напряжение, генерируемое при ∆T = U/k., называется
термоэлектродвижущей силой и составляет несколько микровольт.
Сам эффект называют термоэлектрическим или эффектом Зеебека в
честь первооткрывателя (1821 г.). Этот эффект обусловлен тем, что
когда приводятся в контакт вещества с разной работой выхода, то изза диффузии электронов возникает контактная разность потенциалов,
которая зависит от температуры. Для этих целей можно использовать
как металлы, так и полупроводники. В качестве примера можно
привести термопары: медь - константан, серебро - палладий, серебро висмут, висмут - сурьма. Практическое значение имеют следующие
комбинации металлов: железо-константан, медь-константан, нихромникель, платинородий - платина. Современная тонкопленочная
технология позволяет получать дешевые и удобные в употреблении
98
термоэлектрические батареи с большим числом отдельных термопар,
сосредоточенных на малой площади. Поэтому изготовление приборов
с чувствительностью более 100 В/Вт не составляет проблемы.
Спектральная чувствительность определяется коэффициентом
поглощения датчика и пропусканием оптического окна, которое
обычно имеется в установке. На практике детекторы такого типа
можно использовать от видимой области спектра до длин волн около
30 мкм.
При измерении абсолютных температур свободный спай
термопары должен находиться при постоянной и известной
температуре (для лабораторных измерений применяют заполненный
тающим льдом сосуд Дьюара). При непрерывных измерениях
применяют термостаты с постоянной температурной установкой,
превышающей максимально возможную температуру окружающей
среды, во избежание необходимости охлаждения.
Основными характеристиками термопар являются:
Входная величина: температура; выходная величина –
напряжение. Диапазон измерения: для термопар из неблагородных
металлов от 200 до 700°С, для термопар из благородных металлов от 0
до 1500°С.
Погрешности измерения: ± (2±0,5
) % конечного значения
шкалы.
Динамические характеристики: постоянная времени для
армированных термопар равна нескольким минутам; для так
называемых миниатюрных термопар - не более 0,1 с.
Преимущества данного устройства: возможность обеспечения
малой инерционности; широкий диапазон и незначительные
погрешности измерения.
Недостатки: необходимость применения
высокочувствительных показывающих приборов или усилителей
вследствие малых значений выходного напряжения, а также
необходимость обеспечения постоянной температуры холодных
спаев.
Контактные термометры с термопарами изготавливаются из
различных металлов и сплавов и по классу точности также бывают
различными от грубых, применяемых в качестве индикаторов
99
температуры, до прецизионных, позволяющих создавать точные
термометры независимо от наличия или отсутствия средств
градуировки. Некоторые виды термопар, например термопара из
платины и сплава платины с 10% родия или термопара из платины и
сплава платины с 15% родия имеют очень стабильные значения ЭДС,
не зависящие от размеров или места их изготовления. Составлены
таблицы зависимости ЭДС этих термопар от разности температур спаев.
Это дает возможность изготовить термометр высокого класса точности,
пользуясь только табличными данными и, располагая точными
электроизмерительными приборами. Термосопротивления являются
самыми воспроизводимыми датчиками температуры. Именно по этой
причине они используются на эталонном уровне в качестве средств
передачи размера единицы температуры или в качестве объекта
сличения. Термосопротивления изготавливаются различных классов
точности - от грубых индикаторов до прецизионных мер в эталонах.
Неконтактные термометры. Неконтактные методы измерения
температуры оказываются очень полезными в тех случаях, когда либо
объект по каким-либо причинам недоступен для установки в него
контактного термометра или удален от нас (космические объекты,
звезды), либо когда необходимо измерять очень высокие температуры
и невозможно создать датчик, выдерживающий их. Кроме того, за
последние десятилетия благодаря успехам в создании приемников
инфракрасного излучения появилась возможность достаточно
точного измерения комнатных температур приемниками
инфракрасного излучения — болометрами и тепловизорами. В
последних сочетаются методы инфракрасной техники и
телевизионных методов визуализации инфракрасных изображений.
Болометр. В болометрах повышение температуры из-за
поглощения излучения датчиком измеряется по изменению
электрического сопротивления R. У металлов зависимость
сопротивления от температуры описывается выражением
R(T) = R(T0)[1 + α(T-T0) + β(T-T0)2], (10)
Вклад квадратичного члена в выражении (10) достаточно
велик. Поэтому линейная зависимость R(T) н
аблюдается в не слишком
широкой области температур. У металлов коэффициент α
положителен, поскольку при повышении температуры возрастают
100
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]