литература / Sharapov_V._Datchiki

Глава 11. Датчики температуры

моэлектродов в зоне градиента температур примесями окружающей среды или защитных оболочек, изменением процентного соотношения между компонентами термоэлектродов в результате испарения некоторых компонентов. Этих погрешностей можно избежать, лишь определив действительную функцию преобразования и внеся поправки.

Погрешность от изменения температуры свободных концов уменьшают ее термостабилизацией или автоматическим введением поправок, а погрешность от шунтирующего действия сопротивления межэлектродной изоляции — подбором соответствующих изоляционных материалов.

Для измерения температур в пределах (-200...+2800) °С используются стандартные технические термопреобразователи температуры (табл. 11.5).

Таблица 11.5. Основные показатели некоторых термоэлектрических преобразователей

Измерительные цепи. Простейшая измерительная цепь термометра с термоэлектрическим преобразователем изображена на рис. 11.10, а. При условии, что температура Т0 свободных концов термопары будет неизменной и сопротивление всей измерительной цепи также неизменно, показания милливольтметра будут определяться значениями измеряемой температуры Тх.

Для уменьшения зависимости показаний прибора от сопротивления измерительной цепи пытаются соблюсти условие

Rmv 77 RT 2RЛ ,

11.3. Термоэлектрические преобразователи температуры

действительно

измеряемой температуры необходимо пользоваться градуировочной таблицей (характеристикой) термоэлектрического преобразователя.

Если милливольтметр является составной частью термометра и его шкала проградуирована в единицах измеряемой температуры, то нелинейность функции преобразования термопреобразователя может быть учтена в шкале прибора, которая соответственно также будет нелинейной.

Обязательным условием, которого необходимо придерживаться при измерении такими приборами, является обеспечение сопротивления Rсум всей измерительной цепи прибора, его градуировочному значению, то есть такому значению Rград, при котором градуировался прибор. Для подгонки сопротивления цепи используется дополнительный резистор Rпод (рис. 11.10, б).

В этом случае сопротивление внешней цепи не будет причиной погрешности. Возникновение погрешностей будет предопределяться лишь отклонениям суммарного сопротивления от градуировочного значения и вызываться, например, изменением сопротивления линии в результате изменения температуры окружающей среды. При этом

Причиной погрешностей измерения температуры может быть также несоответствие температуры свободных концов термопреобразователя градуировочному значению. Градуировочные характеристики термоэлектрических преобразователей составлены для определенной температуры свободных концов (обычно 0 °С). Если температура свободных концов не равняется градуировочной, то необходимо вводить поправку на изменение термоЭДС относительно градуировочного значения.

Глава 11. Датчики температуры

Один из способов устранения погрешности от изменения температуры свободных концов есть их термостатирование. Поскольку термостатировать головку термоэлектрического преобразователя, где заканчиваются термоэлектроды (их свободные концы), практически невозможно, то необходимо продлить электроды термоэлектрического преобразователя, не искажая его термоЭДС с тем, чтобы отвести свободные концы в такое место, где будет удобно их термостатировать. Удлинительные термоэлектродные провода УП (рис. 11.10, б) производят не из тех же дорогих металлов, что и основные термоэлектроды. Однако они должны быть термоэлектрически идентичными с соответствующими электродами основной термопары, чтобы устранить возникновение паразитных термоЭДС. Например, для термопары платинородий-платина применяют удлинительные провода из меди и сплава ТП. Для термопары хро- мель-алюмель применяют провода из меди и константана.

В промышленных условиях для введения коррекции от изменения температуры свободных концов на показания прибора обычно используют устройства автоматического введения поправок. Таким устройством может быть мостовая цепь (рис. 11.10, в), которая состоит из температуронезависимых манганиновых сопротивлений R1 R2 и R3 и сопротивления R4 из меди или никеля, которое изменяет свое сопротивление в зависимости от температуры. Если температура термозависимого резистора, как и температура свободных концов термопары, будет равняться, например, 0 °С, то мост должен находиться в равновесии. При отклонении этой температуры от 0 °С вызванное этим изменением температуры изменение термоЭДС термопары будет компенсироваться напряжением разбалансировки моста, вызванным изменением сопротивления R4.

Для термоэлектрического термометра по схеме рис. 11.10, в напряжение U, которое поступает на вход измерительного прибора

U eT eЗТ U CK ,

где еT — термоЭДС термопары; еЗТ — паразитная термоЭДС от неполной термоидентичности материалов ЗТЕ и основных термоэлектродов; UCK — исходное напряжение разбалансировки мостовой схемы компенсации СК.

Соответственно, погрешность такого термоэлектрического термометра

где ДТП — погрешность термопреобразователя; ДЗТ = еЗТ — погрешность от неполной термоидентичности; ДСК — погрешность схемы компенсации; ДВП — погрешность измерительного прибора.

Заметим, что погрешности ДЗТ и ДСК соизмеримы с погрешностью ДТП, а в сумме с ДТП достигают значений значительно больше, чем погрешность современного измерительного прибора. Погрешность ДТП термопреобразователя могла бы быть уменьшена лишь конструктивно технологическими методами, которые практически исчерпали свой резерв относительно такой возможности. Поэтому при проектировании таких термометров, в первую очередь, следует позаботиться об уменьшении погрешности от неполной термоидентичности и погрешности схемы компенсации.

В цифровых термометрах погрешность от изменения температуры свободных концов может быть полностью устранена измерением температуры свободных концов и автоматического внесения соответствующих поправок.

Глава 11. Датчики температуры

меряемой температуры. Для компенсации погрешности от изменения температуры свободных концов термопреобразователей используют устройство 5 автоматической коррекции погрешности в виде, например, мостовой схемы. Для визирования телескопа на объект измерения служат окуляр 6 и диафрагма 7.

В рефлекторном телескопе (рис. 11.11, б) излучение от исследуемого объекта 1 через диафрагму 2 поступает на рефлектор 3, отражается и фокусируется на горячих спаях термопреобразователя. Цепь измерения термоЭДС складывается, как и в рефракторной системе, из измерительного прибора и пристроя 5 автоматической коррекции погрешностей от изменения температуры свободных концов термопреобразователя.

Радиационные пирометры градуируются по черному излучателю. Поэтому при измерении температуры реальных, нечерных тел из-за их меньшей излучательной способности радиационные пирометры показывают не действительную температуру TХ исследуемого объекта, а низшую, так называемую радиационную температуру ТР. И в самом деле, согласно закону Стефана—Больцма- на энергетическое свечение абсолютно черного тела

P

Откуда радиационная температура

TP 4R */ >,

где у = 5, 6697·10-2 Дж/(м2·с·К4).

Для реального тела (исследуемого объекта) энергетическое свечение R и действительное значение температуры измерителя связаны зависимостью

где е0 — коэффициент суммарного излучения, который равняется отношению энергетического свечения исследуемого объекта к энергетическому свечению черного тела при этой же температуре.

Следовательно, радиационная температура, измеренная пирометром полного излучения, связана с действительной температурой исследуемого объекта зависимостью

Поправка, которую необходимо прибавить к измеренной пирометром полного излучения радиационной температуре

а относительная погрешность, которая вызвана неучетом коэффициента суммарного излучения исследуемого объекта

составляет для е0 = 0,9 приблизительно 3%, для е0 = 0,8 — примерно 6%, а для е0 = 0,3 достигает 35%.

Для реальных физических объектов е0 определяется свойствами объекта, состоянием его поверхности и другими факторами и может находиться в гра-

Глава 11. Датчики температуры

мерении температуры наблюдается пирометристом через окуляр 6. Между окуляром и нитью пирометрического накала находится красный светофильтр 5.

Изменяют температуру нити 4, регулируя ток накала с помощью регулирующего реостата Rр до исчезновения видимости нити накаливания, как на рис. 11.12, г (на рис. 11.12, в нить накаливания недогрета, на рис. 11.12, д — перегрета). Значение этого тока измеряется прибором, проградуированным в единицах измеряемой температуры.

Описанный выше оптический пирометр чувствителен к энергетическому свечению (яркости) очень узкого диапазона длин волн в области так называемой эффективной длины волны лэф = 0,65 мкм. Спектральная чувствительность глаза человека характеризуется чувствительностью Рл = f(л) (рис. 11.12, б), а красный светофильтр — спектральным коэффициентом пропускания kл = ц (л).

Следовательно, эффективная чувствительность такой системы Sл = F(л) имеет максимум при лэф Ј 0,65 мкм и стремительно падает к нулю при длинах волн, которые отличаются от лэф даже на ±0,05 мкм.

Как и пирометры полного излучения, яркостные пирометры градуируются по черному излучателю. Поэтому измеренная так называемая яркостная температура Тя реального нечерного тела с монохроматическим коэффициентом теплового излучения ал < 1 будет отличаться от действительной Тх. Поправку ДТЯ, которую нужно прибавить к измеренной оптическим пирометром яркостной температуре для получения действительного значения измеряемой температуры, можно определить по формуле [8].

а относительную погрешность от пренебрежения коэффициентом ал

значение которой для волн длиной л = 0,65 мкм в зависимости от ал при измерении температуры около 1000 К составляет для ал = 0,9 около 0,5 %, для ал = 0,8 около 1 %, а для ал = 0,3 достигает 6 %. При других одинаковых условиях при Тх = 2000 К для ал = 0,3 эта погрешность может достичь 20%.

Монохроматические визуальные пирометры с исчезающей нитью типа «Луч» предназначены для измерений температур в диапазоне от 800 до 5 000 °С. Их основная погрешность в диапазоне 800...1 400 °С составляет 14 °С, в диапазоне 1 200...2 000 °С —20 °С и в диапазоне 1 800...5 000 °С —150 °С.

Визуальные пирометры, неотъемлемым элементом измерительной цепи которых является глаз человека, непригодны для работы в системах автоматического измерения и регулирования температуры. Поэтому распространение получили квазимонохроматические фотоэлектрические пирометры (как и фотоэлектрические пирометры частичного излучения). В фотоэлектрических монохроматических пирометрах фотоэлемент в сочетании с красным светофильтром подобраны так, чтобы эффективная длина волны такой системы, как и в оптических пирометрах, равнялась л = 0,65 мкм. Это обеспечивает сравнимость результатов фотоэлектрических и оптических пирометров [8].

11.5. Акустические термометры

11.5. Акустические термометры

Принцип действия термометра базируется на зависимости скорости распространения звука в веществе от температуры. В качестве чувствительного элемента могут применяться газы, жидкости, твердые вещества. Диапазон измерения определяется стойкостью материала к нагреванию и возможностью распространения в материале акустических колебаний. Теоретически он лежит в пределах от криогенных температур до Ј 104 К, практически — в пределах от криогенных температур до температуры плавления вольфрама (3400 °С).

По методу определения скорости распространения акустических колебаний различают термометры акустические резонансные, термометры акустические импульсные и термометры акустические на непрерывных колебаниях. По принципу действия к ним принадлежит также кварцевый термометр, но исторически он выделяется как отдельный тип термометра [8].

Скорость распространения акустических волн в идеальном газе

где C p / C3 — отношение теплоемкостей при постоянных давлении и объеме; R — универсальная газовая постоянная; Т — температура абсолютная; М — молярная масса газа. В смесях газов скорость зависит от концентрации компонентов:

где хi — относительная концентрация i-го газа ( хi 1). В идеальных газах скорость при заданной температуре не зависит от давления и увеличивается пропорционально к T , что является базой для создания газовых акустических термометров. Уравнение преобразования акустического газового термометра (случай идеального газа):

Скорость звука в жидкостях определяют по соотношению:

где Кад — адиабатический модуль всесторонней сжимаемости; виз — изотермическая сжимаемость, с — плотность вещества.

На рис. 11.13 приведены температурные зависимости скорости распространения акустических волн в некоторых газах и жидкостях.

Для изотропных твердых материалов эмпирическое выражение температурной зависимости скорости распространения звуковых волн в них является сложным и определяется такими параметрами, как модуль упругости тела, который является функцией температуры, модуль сдвига, плотность, коэффициент Пуассона. Эти зависимости имеют вид, показанный на рис. 11.14.

11.5. Акустические термометры

Рис. 11.15. Термометр акустический на гармонических колебаниях

На рис. 11.16 показан импульсный акустический термометр, который функционирует по приниципу так называемого синхрокольца (или автоциркуляции импульса).

Рис. 11.16. Термометр акустический импульсный (по методу синхрокольца)

Электрический импульс от генератора импульсов преобразуется в электроакустическом преобразователе в акустический сигнал, который проходит через чувствительный элемент и попадает на приемный акустикоэлектрический преобразователь, с выхода которого электрический сигнал усиливается, формируется и используется для повторного запуска через триггер генератора импульсов, который работает в ждущем режиме. Частота импульсов на выходе генератора зависит от времени прохождения акустического сигнала через чувствительный элемент:

f v / (l v2),

где v — скорость, l — длина чувствительного элемента, ф — время задержки сигнала в чувствительном элементе и электронных компонентах схемы импульсного акустического термометра. В качестве чувствительных элементов можно использовать газ, жидкость, твердые вещества. Термометр по принципу синхрокольца может функционировать и на отраженных сигналах.