Измерение температуры

Измерение температуры выполняют несколькими средствами, наиболее распространенными из которых являются термопреобразователи сопротивления и термоэлектрические преобразователи. Их выпускают в разных ис­полнениях в зависимости от способа контакта с окружающей средой (по­гружаемые, поверхностные), условий эксплуатации (стационарные, перенос­ные), защищенности от воздействия окружающей среды (обыкновенные, пылезащищенные, водозащищенные, взрывозащищенные), герметичности, инерционности, устойчивости к меха­ническим воздействиям (обыкновенные, виброустойчивые). Они различаются по количеству чувствительных элементов для измерения температуры в одной зоне (одинарные, двойные), числу зон (одно- и многозонные) и выводных проводников (два, три, че­тыре).

Термопреобразователи сопротивле­ния

Принцип действия термопреобра­зователей сопротивления основан на использовании свойства чувствитель­ного элемента менять свое сопротив­ление при изменении температуры. Они могут быть проволочными и полу­проводниковыми.

Термопреобразователи сопротивле­ния ПРОВОЛОЧНЫЕ. Материалом проволочных термо­преобразователей является, как пра­вило, медь или платина (см. табл.).

В диапазоне температур от - 50 до +180 °С сопротивление меди нахо­дится в линейной зависимости от тем­пературы:

R_t = R_o [1 + α (t – t_o)] ,

где R_t - сопротивление при темпера­туре t, α = 0,00428 1/°С.

Сопротивление платины:

R_t = R_o [1 + α_п (t – t_o) + β_п (t – t_o)²] ,

где α_п = 3,94∙10-3 1/°С; β_п = 5,8∙10-7 1/°С.

Конструкции термопреобразователей сопротивления весьма разнообразны. Чувствительный элемент большинства из них представляет собой спираль, намотанную без механических натяже­ний на каркас из изоляционного ма­териала. Каркас со спиралью помещен в защитный кожух, представляющий собой металлическую или стеклянную гильзу, заполняемую гелием или по­рошком окиси алюминия.

По точности измерения температуры термопреобразователи сопротивления делят на пять классов (см. таблицу).

Основные параметры термопреобразователей сопротивления

Тип термопреобразователя (ма­териал проволоки)	Номинальная статическая характерис­тика преобразования	Диапазон измеряемых температур, °С	Номинальное сопро­тивление при 0°С, Ом
ТП (платина)	1 П 5 П 10 П 100 П 500 П	От -50 до 1100 » -100 > 1100 » -260 » 1000 » -260 » 1000 » -260 » 300	1 5 10 50 100 500
ТП (медь)	5 М 50 М 100 М	От -50 до 200 » -50 » 200 » -200 » 200	10 50 100

Наи­большее применение в научных исследованиях получили серийные преобра­зователи ТСП-5071 с температурным диапазоном от -200 до +600 °С. Температурный коэффициент полу­проводниковых термопреобразовате­лей (термисторов) более высокий (3÷6 % на 1 °С),по сравнению с про­волочными (0,4 % на 1 °С). Они отли­чаются большим внутренним сопро­тивлением, малыми габаритами, вы­сокой механической прочностью, дли­тельным сроком службы и низкой стои­мостью.

Для измерения температуры термопреобразователи сопротивлений R₁, R₂, R₃, и R₄ включают в мостовую схему с балансировочным резистором и усилителем (см. рис. 29-1).

Рис. 29-1. Мостовая схема включения термопреобразователей сопротивлений с балансировочным резистором и усилителем.

Причем, если необходимо измерить разность температур между двумя средами, то термопреобразователи сопротивлений R₁ и R₂ располагают в одной среде, а термопреобразователи сопротивлений R₃ и R₄ – в другой. Включение термопреобразователей сопротивлений R₁ и R₂, а также R₃, и R₄ в мостовую схему¹следует выполнять попарно, в диагонали моста. В этом случае при нагревании (или охлаждении) любой пары резисторов разность потенциалов между точками А и С будет изменяться пропорционально изменению температуры.

Перед измерением схему сначала прогревают (дав поработать 10÷15 минут) а затем балансируют и тарируют. Балансировку схемы выполняют при нахождении всех термопреобразователей сопротивлений R₁, R₂, R₃, и R₄, в одинаковой температуре. Её производят резистором R₇ до тех пор, пока разность потенциалов между точками А и С не будет равна «нулю». Показание измерительного прибора A при этом установится на отметке «ноль».

Для тарировки схемы термопреобразователи сопротивлений R₁ и R₂ постепенно нагревают до максимальных рабочих температур, а затем также постепенно охлаждают их, одновременно регистрируя температуру и показания прибора A. При этом термопреобразователи сопротивлений R₃ и R₄ должны находиться при постоянной начальной температуре. По результатам тарировки строят тарировочный график функции A=f(T^oC), по которому рассчитывают величину абсолютной и приведенной погрешности измерения.

Абсолютная погрешность системы измерения температуры определяется как максимальная разность, по формуле:

_max, [^oC]

где Т_н – температура, измеренная схемой в режиме её повышения;

Т_о – температура, измеренная схемой в режиме её понижения.

Относительная погрешность системы измерения температуры определяется по формуле:

Важным параметром преобразова­теля является показатель тепловой инерции или постоянная времени, оп­ределяемая как время, в течение ко­торого тело, помещенное в среду с по­стоянной температурой, нагревается до 63,2 % значения температуры среды. По этому параметру термопреобра­зователи сопротивления выпускают с малой тепловой инерцией (не более 10 с), со средней (не более 60 с) и с боль­шой (более 60 с), что определяется их конструкцией.

К недостаткам термисторов относят нелинейность и низкую вос­производимость градиуровочной ха­рактеристики, что приводит к необхо­димости их индивидуальной градуи­ровки.

Таблица 1.1.

Допускаемые отклонения параметров термопреобразователей сопротивлений

Допускаемые отклонения	Класс термопреобразователя	Тип термопреобразователя
		ТП (платина)	ТП (медь)
Номинального сопротивления при 0 °С, %	I II III IV V	±0,05 ±0,1 ±0,2 ±0,4 ±0,8	— ±0,1 ±0,2 ±0,5 ±1,0
Отношения 1,3910 (ТСП) W100 = 1,4280 (ТСМ)	I II III IV V	+0,0015 -0,0005 + 0,0015 - 0,0010 + 0,0015 - 0,0020 + 0,0015 - 0,0030 +0,0015 -0,0050	— ±0,0010 ±0,0020 ±0, 0030 + 0,0030 - 0,0050

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ.

Чувствительным элементом (датчиком) термоэлектрического преобразо­вателя является термопара.

Термопары изготавливают из двух разнородных электродов в виде проволоки, (например: хромели – 1 и алюмели – 2) соединенных (обычно, сваренных электродуговым способом) в одной точке – 3 (рабочий конец термопары). При не­равенстве температур рабочего и сво­бодных концов термопары на последних возникает, сигнал (термо-ЭДС), пропорциональный разности темпера­тур рабочего и свободных концов. В качестве прибора, регистрирующего ЭДС, обычно используют милливольтметры и миллиамперметры.

Низкие температуры (до -200 °О измеряют медь-копелевыми, хромель-копелевыми, хромель-алюмелевыми, железо-константановыми и медь-кон-стантановыми термопреобразователя­ми, из которых последние получили наибольшее применение. Для измере­ния более низких температур термо­электрические преобразователи при­меняют редко вследствие их невысокой чувствительности, а также значитель­ных погрешностей, обусловленных паразитными ЭДС.

Преобразователи типа ТВР исполь­зуют в вакууме или в инертных сре­дах, так как при высоких температу­рах на воздухе они окисляются.

Ниже в таблице приведены основные пара­метры термоэлектрических преобразо­вателей и формулы для вычисления пределов допускаемых отклонений термо-ЭДС термопар от градуировочных таблиц.

Основные параметры термоэлектрических преобразователей

Тип преобразователя	Номинальная статическая характеристика преобразования	Материал термоэлектродов	Измеряемые температуры при длительном применении, оС	Предельная температура при кратковременном применении, оС	Допускаемые отклоне­ния термоЭДС термо­пар преобразователей, мВ
ТПР ТПП ТХА ТХК ТВР	ПР-30/668 ПП68 ХА68 ХК68 ВР 5/2068-1 ВР 5/2068-2 ВР 5/2068-3	Платинородий (30 % родия) Платинородий (10 % родия) - платина Хромель-алюмель Хромель-копель Вольфрамрений (5 % рения) — вольфрамрений (20 % рения)	300÷1600 0 ÷ 1300 От -50 до +1000 От -50 до +600 0 ÷ 1800	1800 1600 1300 800 2500	0,01+3.3∙10-5(t-300) 0,01+2.5∙10-5(t-300) 0,16+2,0∙10-4(t-300) 0,2 + 6,0∙10-4(t-300) 0,08+4,0∙10-6(t-1000)

Термоэлектрический преобразова­тель как элемент системы регулиро­вания в значительной степени опреде­ляет характеристики температурного устройства испытательной машины. Тепловая инерция термопреобразова­теля зависит от его конструктивного исполнения, уровня температуры и диаметра термоэлектродов.

Выпускают термопреобразователи малой, средней, большой и, ненормированной инерцион­ности с показателем тепловой инерции соответственно не более 5, 60, 180 и свыше 180 с для погружаемых, и не более 10, 120, 300 и свыше 300 с для поверхностных термопреобразователей.