
- •Ю.А. Кузина, в.И. Белозеров
- •Метрология, стандартизация,
- •Сертификация.
- •Курс лекций
- •Содержание
- •1. Метрология, измерения и их значение
- •6. Измерение расхода и количества жидкости,
- •9. Метрологическое обеспечение стандартизации и
- •Введение
- •1. Метрология, измерения и их значение в деятельности человека
- •2. Понятие об измерении, виды и методы измерений
- •3. Погрешности измерений
- •3.1. Виды погрешностей измерений
- •3.1.1. Систематические погрешности
- •3.1.2. Случайные погрешности
- •3.1.3. Оценка точности косвенных измерений
- •3.1.4. Динамические погрешности
- •3.2. Поверка измерительных приборов
- •4. Измерение температуры
- •4.1. Шкалы температур
- •4.2. Приборы для измерения температуры
- •4.2.1. Термометры, основанные на расширении и изменении давления рабочего вещества
- •4.2.2. Термоэлектрические термометры
- •4.2.3. Термометры сопротивления
- •4.2.4. Пирометры
- •5. Измерение давления
- •5.1. Общие сведения и единицы давления
- •5.2. Жидкостные манометры
- •5.3. Деформационные манометры
- •5.4. Тягомеры и напоромеры
- •5.5. Грузопоршневые манометры
- •5.6. Манометры с электрическими и пневматическими преобразователями
- •6. Измерение расхода и количества жидкости, газа или пара
- •6.1. Общие сведения и единицы измерения расхода и количества вещества
- •6.2. Пневмометрический метод измерения расхода. Трубки Пито
- •6.3. Измерение расхода по перепаду давления в дроссельных устройствах
- •6.4. Скоростные и объемные расходомеры
- •6.5. Магнитные расходомеры
- •7. Стандартизация
- •7.1. Понятие стандартизации
- •7.2. Цели, принципы, функции стандартизации
- •7.3. Методы стандартизации
- •7.4. Государственная система стандартизации России
- •7.5. Органы и службы стандартизации в Российской Федерации
- •7.6. Виды и категории стандартов
- •7.7. Международная организация по стандартизации
- •8. Основы сертификации
- •8.1. Сущность и содержание сертификации
- •8.2. Обязательная сертификация
- •8.3. Добровольная сертификация
- •8.4. Международная сертификация
- •9. Метрологическое обеспечение стандартизации и сертификации
- •Литература
4.2.2. Термоэлектрические термометры
Действие термоэлектрических термометров основано на свойстве металлов и сплавов создавать термоэлектродвижущую силу (термоэдс), зависящую от температуры места соединения (спая) концов двух разнородных проводников (термоэлектродов), образующих чувствительный элемент термометра – термопару. Имея закон изменения термоэдс термометра от температуры и определяя значение термоэдс электроизмерительным прибором, можно найти искомое значение температуры в месте измерения [5, 6].
Термопары широко используются для измерения температур в пределах от –150 до 20000С.
Термопара состоит из двух спаянных и изолированных по длине термоэлектродов, защитного чехла и головки с зажимами для подключения соединительной линии. В качестве вторичных приборов, работающих с термоэлектрическими термометрами, применяются магнитоэлектрические милливольтметры и потенциометры.
К преимуществам термопар можно отнести
- большой диапазон измерения;
- высокую чувствительность и высокую степень точности;
- незначительную инерционность;
- возможность измерения локальных температур вследствие малых габаритов спая термопар (микротермопары);
- легкость осуществления дистанционной передачи показаний;
- отсутствие постороннего источника тока.
Основные свойства термоэлектрических термометров
Принцип действия термопар основан на термоэлектрических явлениях, открытых в 1821 г. Зеебеком.
Известно, что в замкнутом контуре, состоящем из двух разнородных проводников, непрерывно течет электрический ток, если места спаев проводников имеют различные температуры. Механизм возникновения термоэдс основывается на том, что концентрация в межмолекулярном пространстве проводника свободных электронов, находящихся в единице объема, зависит от материала проводника и его температуры.
Пусть два разнородных проводника А и B соединены и температура концов одинакова. В проводнике B плотность свободных электронов больше, чем в А, поэтому из В электроны диффундируют в А в большем количестве, чем обратно. Таким образом, проводник B будет заряжаться положительно, а А – отрицательно. Электрическое поле, возникшее в месте соприкосновения проводников, будет препятствовать этой диффузии. Когда скорость диффузионного перехода электронов станет равна скорости их обратного перехода под действием электрического поля, наступит состояние подвижного равновесия. При этом между проводниками А и B возникнет некоторая разность потенциалов термоэдс. С увеличением температуры термоэдс увеличивается.
Кроме того, термоэдс возникает и между концами однородного проводника, имеющими разные температуры, причем более нагретый конец заряжается положительно.
В замкнутом контуре (рис. 10), состоящем из разнородных термоэлектродов А и B, одновременно действуют оба указанных фактора, вызывающие появление в спаях 1 и 2 (в зависимости от температур t и t0 и материала термоэлектродов) двух суммарных термоэдс eAB(t) и eBA(t0). Действующая в контуре результирующая термоэдс ЕAB(t, t0) равна алгебраической сумме термоэдс обоих спаев, т.е.
ЕAB(t, t0) = eAB(t) + eBA(t0), (4.10)
но, если учесть, что eBA(t0)= –eAB(t0), получим
ЕAB(t, t0) = eAB(t) – eAB(t0). (4.11)
|
Рис. 10. Схема устройства термопары: А, B – разнородные проводники; 1, 2 – спаи термопары |
Следовательно, вырабатываемая термометром термоэдс равна разности двух действующих навстречу суммарных термоэдс, появляющихся на концах термоэлектродов в спаях 1 и 2. При равенстве t=t0 результирующая термоэдс равна 0.
Спай 1, погружаемый в измеряемую среду, называется рабочим или горячим концом термоэлектрического термометра, а спай 2 – свободным или холодным концом.
Для измерения термоэдс к термоэлектрическому термометру посредством соединительных проводов подключается вторичный прибор, образующий с ним замкнутую цепь. Применяются два способа включения в контур: в свободный конец или в один из его термоэлектродов. Наиболее распространен первый способ.
Рассмотрим, будет ли влиять на результирующую термоэдс включение третьего (соединительного) проводника C с вторичным прибором ВП [5].
При первом способе включения (рис. 11, а) термометр будет иметь два свободных конца со спаями 2 и 3, находящимися при одинаковой температуре t0. Результирующая термоэдс равна
ЕAB(t, t0) = eAB(t) + eBC(t0)+eСА(t0). (4.12)
Если принять, что температуры всех трех спаев одинаковы и равны t0, то в замкнутой цепи результирующая термоэдс будет равна нулю*), т.е.
ЕAB(t0) = eAB(t0) + eBC(t0) + eСА(t0)=0 (4.13)
или
eBC(t0) + eСА(t0) = – eAB(t0) . (4.14)
Подставив (3.14) в (3.12), получим
ЕAB(t, t0 )= eAB(t) – eAB(t0),
или соотношение (3.11).
|
|
а) |
б) |
Рис. 11. Способы подключения вторичного прибора к термоэлектрическому термометру: а) – подключение в свободный конец, б) – подключение в термоэлектрод
При втором способе подключения прибора ВП появляются два новых спая 3 и 4. Пусть температура этих спаев t1, тогда результирующая термоэдс
ЕAB(t, t0) = eAB(t) + eBC(t1)+eСB(t1)+ eBА(t0), (4.15)
где eBC(t1)= –eCВ(t1) и eBА(t0)= –eАB(t0). Подставив эти соотношения, получим опять уравнение (4.11). При этом температура нейтральных спаев 3 и 4 никакой роли не играет.
Таким образом, включение в контур термоэлектрического термометра третьего разнородного проводника не влияет на развиваемую им термоэдс, если места присоединения проводника имеют одинаковую температуру. Если же температуры спаев 2 и 3 на рис. 11, а или спаев 3 и 4 на рис. 11, б не будут равны, то при этом в цепи появится «паразитная» термоэдс, которая отразится на результатах измерения.
Термоэдс любого термоэлектрического термометра может быть определена, если известна термоэдс, развиваемая каждым из его термоэлектродов в паре с одним и тем же третьим разнородным термоэлектродом.
Пусть даны термоэдс двух термометров АС и ВС, температуры рабочих и свободных концов t и t0. Требуется найти при тех же температурах термоэдс термометра АВ.
Имеем
ЕAС(t, t0) = eAС(t) – eАС(t0);
ЕВС(t, t0) = eВС(t) – eВС(t0).
Вычитая, получаем
ЕAС(t, t0) – ЕВС(t, t0)= eAС(t) – eАС(t0) – eВС(t) + eВС(t0). (4.16)
Известно, что
eAС(t) – eВС(t)= eAВ(t);
eBС(t0) – eАС(t0)= –eAВ(t0),
тогда (3.16) примет вид
ЕAС(t, t0) – ЕВС(t, t0)= eAВ(t) – eAВ(t0), (4.17)
ЕAB(t, t0)
ЕAB(t, t0)= ЕAС(t, t0) – ЕВС(t, t0). (4.18)
Измерение температуры при помощи термоэлектрического термометра возможно лишь при постоянной и точно известной температуре свободного конца t0. В этом случае
ЕAB(t, t0)=f(t). (4.19)
Функция f(t) имеет сложный вид и определяется экспериментальным путем. Принято, что t0=0 и f(t0)=0.
Экспериментальная зависимость термоэдс ЕAB(t, t0) от температуры рабочего конца t при постоянной температуре свободных концов t0 (как отмечалось, обычно 00С), называется градуировочной характеристикой.
Величина
называетсячувствительностью
термопары.
Значение термоэдс зависит от материала термоэлектродов, температур рабочего и свободного концов.
К материалам, предназначенным для изготовления термопар, предъявляется ряд требований [6]:
они не должны в пределах измеряемых температур с течением времени изменять свои физические свойства;
величина термоэдс выбираемых материалов должна быть достаточной для точных измерений;
выбираемые материалы должны быть устойчивы против действия высоких температур, окисления и других вредных факторов;
температурный коэффициент электросопротивления должен быть, по возможности, минимальным, а электропроводность – высокой;
однозначная и, по возможности, линейная зависимость термоэдс от температуры;
однородность и постоянство состава для обеспечения взаимозаменяемости термометров.
относительно невысокая стоимость.
Для оценки значения термоэдс различных термометров обычно пользуются экспериментальными значениями термоэдс металлов и сплавов в паре с чистой платиной.
Типы и характеристики термоэлектрических
термометров
По характеру применяемых материалов для изготовления термопар последние могут быть разбиты на следующие группы:
термопары из благородных металлов;
термопары из неблагородных металлов и сплавов.
Термоэдс, развиваемые наиболее распространенными термопарами при 1000С, а также пределы измерения температур этими термопарами приведены в табл. 5.
Термопары из благородных металлов и сплавов применяются, главным образом, для измерения температуры выше 10000С, т.к. они обладают большой термостойкостью.
Платинородий-платиновые термопары (несмотря на малую термоэдс) благодаря исключительному постоянству термоэлектрических свойств и большому диапазону измерения используются, главным образом, как образцовые (эталонные) и лабораторные термометры. Допускаемое отклонение термоэдс ΔE (мВ) технического термометра этого типа от градуировочных значений составляет до температуры 3000С около 0,01 мВ, при t>3000C ΔE=(0,01+2,510-5(t–300)), где t – температура рабочего конца в 0С. Термометры данного типа хорошо противостоят действию окислительной среды, но быстро разрушаются под влиянием восстановительной атмосферы (водорода и окиси углерода), двуокиси углерода и паров металлов. Поэтому их тщательно изолируют от непосредственного соприкосновения с окружающей средой.
Таблица 5
Характеристики термопар
Наименование |
Состав |
Верхний температурный предел при длительном применении, 0С |
Верхний температурный предел при кратковременном применении, 0С |
Термоэдс (мВ) при t=1000С |
Медь-копелевая |
100%Cu – 56%Cu+44%Ni |
350 |
500 |
4,75 |
Медь-конс-тантановая |
100%Cu – 60%Cu+40%Ni |
350 |
500 |
4,28 |
Железо-копелевая |
100%Fe – 56%Cu+44%Ni |
600 |
800 |
5,75 |
Железо- константановая |
100%Fe – 60%Cu+40%Ni |
600 |
800 |
5,40 |
Хромель- копелевая |
90%Ni+10%Cr – 56%Cu+44%Ni |
600 |
800 |
6,95 |
Хромель- алюмелевая |
90%Ni+10%Cr – 94%Ni+2%Al+ +2,5%Mn+1%Si+ +0,5%примеси |
900 |
1250 |
4,10 |
Платинородий-платиновая |
100%Pt+10%Rh – 100%Pt |
1300 |
1600 |
0,64 |
Вольфрамрений-вольфрамрениевая |
95%W+5%Re – 80%W+20%Re |
1800 |
2600 |
1,4 |
Для измерения температур до 9000С термопары из благородных металлов применять нецелесообразно, т.к. в этой области температур надлежащую надежность измерений обеспечивают термопары из неблагородных металлов. Их достоинство состоит в том, что они развивают большие термоэдс. Однако эти термопары также подвержены влиянию восстановительной среды. Допускаемые отклонения термоэдс от градуировочных значений составляют при t < 3000С около 0,16 мВ, при t> 3000C ΔE= = (0,16 + 210-4 (t – 300)) для хромель-алюмелевых термопар и 0,2 мВ при t < 3000С, при t > 3000C ΔE = (0,2 + 610-4 (t – 300)) для хромель-копелевых термопар.
Конструктивные формы термопар весьма разнообразны. В простейшем виде термопара представляет собой два разнообразных термоэлектрода, изолированных друг от друга и имеющих один общий спай (образующийся скруткой и сваркой концов в пламени электрической дуги или гремучего газа). Очень часто два термоэлектрода помещаются в один общий чехол-капилляр. В качестве изоляции термоэлектродов служат лаки и эмали до 100 – 1500С, стеклянные бусы до 5000С, кварцевые трубки до 10000С, фарфоровые бусы до 15000С. Широкое распространение получила алундовая изоляция термоэлектродов.
Вторичными приборами, работающими в комплекте с термоэлектрическим термометрами, являются магнитоэлектрические милливольтметры и потенциометры. Принцип их действия и устройство см. в [5].