Muratov_V_G_Metrologia_tekhnol_izmer_i_pribor

головці 5, що робить легкий доступ до них при знятій кришці 6. Для зменшення інерційності вільний простір між стінками захисного чохла й чутливим елементом заповнений порошком 7 (окису алюмінію або титану), котрі мають високу теплопровідність.

Напівпровідникові термометри опору позистори мають позитивний, а термістори — негативний коефіцієнт вимірювального перетворення, абсолютне значення якого значно вище, ніж у дротових ТО. Якщо коефіцієнт перетворення, наприклад, мідного термометра гр.50М становить 0,214 Ом/ °С, то для напівпровідникових термометрів значення цього коефіцієнта залежно від типу термометра може становити десятки і сотні Ом на градус.

Існуючі технології виготовлення не дозволяють одержати однакові НСХ напівпровідникових ТО при масовому виробництві. Ці термометри мають індивідуальні й нестабільні характеристики, що вимагає спеціального режиму «старіння», у результаті якого дрейф параметрів їхніх характеристик практично припиняється. По цьому, не зважаючи наобмеженнязастосування напівпровідниковихтермометрівуметрологічних цілях, вони широко використовуються для регулювання, де вимоги до характеристик термометрів менш жорсткі.

9.1.7. Термометри з уніфікованим вихідним сигналом

Термометри з уніфікованими вихідними сигналами широко застосовуються в сучасних інформаційно-вимірювальних системах. Вони являють собою термопару або термометр опору, сполучений в одному корпусі з нормуючим перетворювачем, як показано на рис. 9.8.

Фірма «ТЕРА», наприклад, випускає знімні одноканальні нормуючі перетворювачі у вигляді керамічної «таблетки», яка легко встановлюється в монтажних головках термометрів опору або термопар будь-яких стандартних градуювань. Двоканальні нормуючі перетворювачі при цьому незнімні й поставляються в комплекті з відповідними чутливими елементами. Нормуючі перетворювачі «ТЕРА» випускаються двох видів: ТЕРА-У — із уніфікованими струмовими сигналами та ТЕРА-RS — із сигналами інтерфейсу RS-485 (протокол Т — bus), що дозволяє безпосередньо вмикати такі термометри у мікропроцесорні мережі. Живлення нормуючих перетворювачів здійснюють від зовнішнього джерела стабілізованої напруги = 24 В.

Рис. 9.8. НормуючийперетворювачТЕРА-У(ТЕРА-RS) — керамічна «таблетка», вбудована у монтажну головку ПП температури

Останнього часу в харчовій промисловості почали застосовувати бездротові системи моніторингу температури на віддалених необслуговуваних об’єктах, транспорті і складах. Використання таких систем, що побудовані за технологією ZigBee, дозволяє значно скоротити та прискорити їх монтаж.

Основою даних систем є бездротові ПП, наприклад, фірми ТЕРА із вбудованими нормуючими перетворювачами та радіопередатчиками, щозабезпечуєвимірюваннятемпературиіпередачурезультатівпорадіоканалу на частоті 2,4 ГГц. Вбудований в ПП літій-іоновий акумулятор дозволяє ПП функціонувати протягом 1…3 тижнів в залежності від температури навколишнього середовища і інтервалу передачі даних.

Бездротовий ПП передає дані результатів вимірювання температури й заряд свого акумулятора на вторинний прилад — логер (реєстратор) типу ЛГ8-ZB (див. §10.8). Логер, у свою чергу, приймає та архівує інформацію від 8 бездротових ПП температури. Користувач при цьому за допомогою персонального комп’ютера може задавати інтервали передачі даних, закріплювати ПП за конкретним логером.

Робоча відстань бездротових ПП до логера складає 15…30 м в приміщеннях і до 150 м на відкритій місцевості. Відстань від логера або ретранслятора до наступного ретранслятора або ZB-модему складає 100…300 м в приміщенні та 1,6 км — на відкритій місцевості. Це дає змогу створювати різні конфігурації бездротових та комбінованих бездротово-провідних мереж інформаційновимірювальних систем.

Класи точності провідних та бездротових ПП температури з уніфікованими вихідними сигналами згідно із ДСТУ2838-94 нале-

жать наступному ряду: 0.1, 0.2, 0.25, 0.4, 0.6.

При повірці таких термометрів оцінюють допустимі межі основної похибки, відхилення дійсної НСХ від лінійної, пульсації вихідного струму та коефіцієнту теплової інерції.

9.1.8. Фотоелектричні пірометри

В основу безконтактного методу вимірювання температури тіл за їхнім повним тепловим випромінюванням покладений закон Стефана–Больцмана для інтегральної енергетичної яскравості:

де σ — постійна, рівна 1,8047 Вт/(ср м2 К4).

Умовну температуру Т реального тіла, яку вимірюють цим методом, прийнято називати радіаційною температурою або температурою повного випромінювання, а ЗВТ, в основу яких покладений цей метод, називаютьрадіаційнимипірометрамиабопірометрамиповного випромінювання. Такі пірометри, наприклад, типу АПИР-С, класу точності 1.5 використовують для вимірювання температур у діапазоні 30…3000 °С.

У харчовій промисловості радіаційні пірометри застосовують, в основному, для вимірювання температури й сигналізації наявності факела в топках промислових котелень, хлібопекарських печей, зерносушарок і т.д.

Рис. 9.9. Схеми пірометрів: а) — повного випромінювання; б) — спектрального відношення

Одна зі схем радіаційного пірометра наведена на рис. 9.9 а. Потік теплового випромінювання інтегральної енергетичної яскравості В надходить в об’єктив 1 пірометра, наприклад, крізь оглядовий отвір у стінці топки парового казана. Потім потік випромінювання проходить діафрагму 2 і фокусується на чутливому елементі 3.

У ролі чутливого елемента застосовують один з розглянутих раніше фотоелектричних ПП або батарею послідовно з’єднаних термопар, установлених у центрі фокусної площини об’єктива. Термопари тут розміщені радіально на слюдянім кільці так, що їхні «гарячі спаї», зачорнені платиновою черню, перебувають у центрі потоку випромінювання й нагріваються за рахунок його енергії. Сумарний сигнал термо-е.р.с. батареї надходить на вхід нормуючого перетворювача з уніфікованим вихідним сигналом або електронного блоку сигналізації 4. Для візуалізації світлового потоку для оператора в деяких типах радіаційних пірометрів передбачений візирний пристрій, що складається з окуляра 5 і діафрагми 6.

Для безконтактного вимірювання температури часто застосовують також монохроматичні пірометри, наприклад, інфрачервоні, принцип дії яких заснований на вимірюванні енергії однієї хвилі в інфрачервоному спектрі. Тут в об’єктив додатково вмонтований відповідний світлофільтр. Сучасні інфрачервоні пірометри можуть наводитися на об’єкт із будь-якої дистанції, обмежені лише діаметром вимірюваної плями випромінювання й прозорістю навколишнього середовища. Вони ідеальні для переносних моделей. Багато виробників, наприклад, АТЗТ «ТЕРА» пропонує широкий вибір типорозмірів інфрачервоних пірометрів, що мають одночасно термопарний, уніфікований струмовий виходи і вихід RS-232, класів точності 1 і 2.

До істотних недоліків таких пірометрів можна віднести чутливість до забруднення навколишнього середовища, що обмежує їхнє застосування в запилених, задимлених або вологих середовищах. На їхні показання можуть впливати сильні електромагнітні поля.

Застосування пірометрів спектрального відношення, наприклад, двоколірних пірометрів, дозволяє уникнути впливу пилу, диму, газу й пари в навколишньому середовищі на результати вимірювання. Такі пірометри без проблем вимірюють навіть крізь запилене скло, однак характеризуються високою ціною.

Принцип роботи пірометрів спектрального відношення заснований на вимірюванні колірної температури ТК об’єкта теплового

випромінювання. Колірною температурою реального тіла при цьому називають таку температуру чорного тіла, при якій відношення енергетичних яскравостей Вλ його при двох ефективних довжинах хвиль λ1 і λ2 дорівнює відношенню енергетичних яскравостей реального тіла, що має температуру Т при тих же довжинах хвиль. Відомо, що

де θ1 і θ2 — яскравісні температури тіла, обмірювані в променях ефективних довжин хвиль λ1 і λ2.

Таким чином, вимірюючи яскравісні температури θ1 і θ2 у різних монохроматичних спектрах довжин хвиль λ1 і λ2, можна визначити температуру реального об’єкта.

Схемадвоколірногопірометра(рис. 9.9 б) передбачаєпроходження світлового потоку від об’єкта крізь об’єктив 1 і обтюратор 7 у фотоелемент 8. Обтюратор, що обертається за допомогою синхронного електродвигуна М, виконаний у вигляді диска із двома отворами, кожен з яких закритий своїм світлофільтром 9, 10 заданого спектра. Наприклад, один зі світлофільтрів червоний, інший — синій. При обертанні обтюратора на фототранзистор 8 поперемінно надходять потоки монохроматичного випромінювання різної спектральної яскравості. Пропорційно цим спектральним яскравостям фототранзистор змінює свою вихідну напругу, яка за допомогою нормуючого перетворювача 11 уводиться в спеціалізований мікропроцесорний контролер 12. Тут виконуються операції обчислення вимірюваної температури Т об’єкта за наведеною вище формулою, здійснюється керування алгоритмом вимірювання й вироблення вихідних сигналів стандартного інтерфейсу.

Для зниження похибки вимірювання в пірометрі застосований розглянутий раніше метод «зразкових сигналів». Із цією метою вбудоване джерело 13 стандартного випромінювання, кероване контролером 12, посилає «зразкові» сигнали у фотоелемент за допомогою напівпрозорого дзеркала 14. Алгоритм вимірювання при цьому складається з послідовних операцій вимірювання θ1, θ2 і обчислення Т, вимірювання стандартних сигналів від джерела 13 і визначення похибки з наступною корекцією отриманого результату.

Двоколірні пірометри «ТЕРА» класу точності 0,2 типу 1R2C і 1R2P мають виходи RS232 або RS485.

оскільки таблиці стандартних градуювань термопар побудовані для tх = 0 °С. Із цією метою використовують дві схеми.

Одна з них, наведена на рис. 10.2, заснована на застосуванні термістора Rt (з негативним температурним коефіцієнтом опору), наприклад, типу ММТ-8. Для випрямлення нелінійної характеристики термістора тут використаний шунт — манганіновий резистор RШ. Додатковий манганіновий резистор R2 служить для підстроювання внутрішнього опору мілівольтметра до паспортного значення, а манганіновий резистор R1 — для підстроювання опору зовнішнього ланцюга. Їхні номінали зазвичай зазначені на бирці мілівольтметра.

Рис. 10.2. Схема пірометричного мілівольтметру типу Ш69003

З підвищенням температури, при якій перебуває мілівольтметр, термо-е.р.с. термопари падає, але одночасно знижується й значення Rt, що забезпечує попередній струм через рамку й, відповідно, показання приладу.

Часто описаної схеми корекції виявляється недостатньо, наприклад, коли шкала мілівольтметра ненульова й потрібно додаткове компенсування напруги зсуву показань. Тоді застосовують схему з мостовим компенсатором температури (КТ), показану на рис. 10.3.

Мостовий компенсатор складається з термоконстантних (манганінових) резисторів R4, R5, R6, R7 і одного мідного RM резистора. Зміна термо-е.р.с. термопари, викликана відхиленням температури її вільних кінців, яку вимірюють за допомогою резистора RM, компенсується зміною напруги вихідної діагоналі моста, включеного послідовно з термопарою. Міст живиться стабілізованою напругою

від джерела, зібраного на стабілітроні VD2 і транзисторі VT1. Живильний трансформатор TV працює від мережі напруги ~220 В.

Рис. 10.3. Схема пірометричного мілівольтметра із КТ типу Ш4500

Для мілівольтметра класу точності 1,0 при tх = 20 °С номінальне значення внутрішнього опору RВН = 300 Ом, опір обмотки рамки RР =75 Ом і додаткового резистора R2 = 225 Ом. При цьому RM = R7 = = 10 Ом.

10.2. Логометри

Логометри (від грецького слова «логос» — відношення) широко використовуються для вимірювання температури в комплекті з термометрами опору й реалізують диференційний метод вимірювання. В основному логометри випускаються для щитового монтажу й бувають показуючими або регулюючими, коли вони додатково оснащені контактними позиційними вихідними пристроями.

Вимірювальний механізм логометра складається із двох рамок, вмонтованих у повітряний зазор між полюсами постійного магніту й осердям. Повітряний зазор тут зроблений нерівномірним, і в ньому, відповідно, непостійна магнітна індукція. Осердя з рамками механічно не закріпление і може вільно повертатися в межах робочого кута. Підведення струму до рамок проводиться за допомогою маломоментних спіральних бронзових волосків.

Логометри мають різні електричні схеми, найпоширенішою з яких є схема із симетричним мостовим ланцюгом, показана на рис. 10.4.

Рис. 10.4. Схема логометра типу Ш69000

При цьому логометр працює в такий спосіб. Величина струму, що протікає крізь рамку RР1, залежить від значення вимірюваної термометром опору Rt температури, а струм крізь рамку RР2 постійний. Рамки включені так, що їх обертаючі моменти спрямовані назустріч один одному, й результуючий момент повертає осердя з рамками в магнітному полі. При цьому рамка з більшим обертаючим моментом потрапляє в слабше магнітне поле й момент її зменшується, момент же іншої рамки, навпаки, збільшується. При певному куті повороту обертаючі моменти рамок зрівнюються й осердя зупиняється. Причому, кут повороту осердя є функцією вимірюваного опору Rt термометра. Оскільки зрівноваження рамок відбувається магнітним шляхом, то в логометра відсутній механічний коректор нуля.

Міст збалансований при значенні Rt, коли стрілка логометра перебуває в середині шкали. У цьому випадку опори резисторів симетричних плечей моста рівні між собою:

R3 =R4, R5 +RЛ* = Rt + RЛ** + R6.

Тут R5 — резистор для припасування початку шкали, RЛ* і RЛ** — опори проводів лінії зв’язку логометра з термометром опору Rt, а R6 — додатковий резистор.

Резистор R1 служить для припасування діапазону вимірювання логометра при його переградуюванні.

Схема логометра живиться номінальною напругою = 4 В від джерела типу СВ-4, який входить у комплект Ш69000. Відхилення напруги живлення на ± 10% не повинно приводити до збільшення основної похибки логометра за припустимі межі.

Термометри опору підключають до логометра мідними дротами за дво — або трьох-провідною схемами.

Двопровідна схема з’єднання передбачає послідовне включення термометра опору й двох дротів лінії зв’язку в одне із плечей вимірювальногомоста, вершинаякого, з’єднанаізцимтермометром, залишається в логометрі. Температурні зміни опору лінії зв’язку в одному із плечей моста можуть значно впливати на показання логометра.

Тому двопровідну схему застосовують, коли лінія зв’язку ПП із ВП невеликої довжини (до 20…30 м) або не зазнає значних температурних навантажень, наприклад, не проходить поблизу печей або морозильників, не виходить на вулицю.

Трьохпровідна схема передбачає винесення вершини вимірювального моста в точку вимірювання температури, де встановлений термометр опору Rt. В цьому випадку лінії зв’язку включені в суміжні плечі моста, що суттєво знижує похибку, викликану температурними змінами сполучних дротів. При цьому в середній точці шкали ця похибка дорівнює нулю, а до початку й до кінця шкали похибка несуттєво зростає.

Оскільки опір живильної діагоналі моста не впливає на результат вимірювання, то підгонці підлягають тільки опори сполучних проводів RЛ* іRЛ**, включених у суміжні плечі моста. При цьому припасування опор RЛ*, RЛ** здійснюють роздільно для лівого й правого від термометра опору проводів.

При двопровідній лінії припасування виконують за допомогою однієї котушки — RЛ**.

Номінальне значення опору лінії RЛ, зазначене на шкалі логометра, буває рівним 5 (або 15) Ом. При цьому підгінні котушки, установлені поза логометром, наприклад у щиті контрольновимірювальних приладів і автоматики (КВПіА), обмотують манганіновим або константановим дротом бифілярно з допуском ± 0,01 Ом за умови RЛ* = RЛ** = 0,5RЛ. Клас точності логометрів Ш69000 рівний 1.5.

10.3. Автоматичні компенсаційні потенціометри

Автоматичні компенсаційні потенціометри слідкуючого зрівноважування типів КПП1, КСП2, КСП3 і КСП4 у комплекті з термопарами широко застосовуються для вимірювання температури.