3

Лабораторная работа № 8 измерение температуры Введение

Температура является одной из наиболее часто измеряемых физических величин, поскольку практически нет ни одной области деятельности, где не требовалось измерять и регулировать температуру.

Диапазон температур можно разделить на ряд характерных поддиапазонов:

1. сверхнизкие температуры – 0-4,2 К (градусы Кельвина);

2. низкие – 4,2-273 К;

3. средние – 273-1300 К;

4. высокие – 1300-5000 К;

5. сверхвысокие – от 5000 К и выше.

Наиболее часто измеряемые температуры лежат в области низких, средних и высоких температур.

Широкий диапазон подлежащих измерению температур, разнообразие условий и объектов исследования обусловили многочисленность методов и средств измерений температуры.

В термометрии принято классифицировать методы и средства измерений на контактные и неконтактные (бесконтактные). Такая классификация основана на наличии или отсутствии непосредственного контакта (касания) термочувствительного элемента с объектом измерения.

При контактных методах теплообмена между объектом измерения и термопреобразователем осуществляется посредством теплопроводности (при измерении температуры твердых тел) и конвекции (при измерениях в газах и жидкостях). Такие методы основаны на температурной зависимости свойств различных веществ, используемых в качестве термопреобразователя, который находится в непосредственном контакте с объектом измерения и его температура принимается равной измеряемой температуре. Подобные термопреобразователи разделяются на терморезистивные, термоэлектрические, термошумовые и др.

Контактные методы и средства применяются для измерения температур в диапазоне от значений, близких к абсолютному нулю, до 1800 С. Используя термопреобразователи из тугоплавких материалов и квазиконтактный метод измерения, при котором термопреобразователь помещается в измеряемую среду на короткое время, можно повысить верхний предел измерений до 2500-3000 С.

Терморезистивные и термоэлектрические преобразователи позволяют измерять температуру практически во всем указанном диапазоне и, кроме того, некоторые виды таких преобразователей имеют нормируемые государственными стандартами технические и эксплуатационные характеристики, что обусловило их широкое применение.

Целью настоящей работы является изучение контактных методов измерения температуры с применением термоэлектрических и терморезистивных преобразователей и методов расчета погрешностей измерения.

1. Термоэлектрические преобразователи

Явление термоэлектричества заключается в том, что если составить цепь из двух различных проводников (или полупроводников), соединив их между собой концами, причем температуру одного места соединения сделать отличной от температуры другого, то в цепи потечет ток под действием ЭДС (термо-ЭДС), представляющей собой разность функций температур мест соединения проводников:

.

Такая цепь называется термоэлектрическим преобразователем (термопарой - ТП), проводники – термоэлектродами, а места их соединения – спаями. Обычно измеряется не ток, а термо-ЭДС, для чего в разрыв цепи (обычно в одно из мест соединения термоэлектродов) включается прибор для измерения напряжения. Спай, контактирующий с объектом измерения, называется измерительным, а спай подключения прибора – соединительным спаем ТП.

Для указанных в табл. 1 термопар (с металлическими электродами) в соответствии с ГОСТ Р 50342-92 и ГОСТ 3044-84 устанавливаются номинальные статические характеристики термопар (НСХ), т.е. зависимости термо-ЭДС термопар от температуры измерительного спая при температуре соединительного спая 0 С. В этой же таблице приведены основные параметры термопар. НСХ задаются в виде таблиц или в виде аппроксимирующих полиномов. Более удобным является табличное задание НСХ.

Основные параметры ТП по ГОСТ Таблица 1

Пределы допускаемых отклонений термо-ЭДС некоторых ТП от номинальных значений, определяемых по НСХ, приведены в табл. 2.

Тип ТП	Условное обозначение НСХ (международное)	Материал термоэлектрода: положительный/отрицательный	Диапазон измерения температуры (кратковременный), С	Диапазон термо- ЭДС, мВ
ТВР	ВР (А)	вольфрам (95 %) - рений (5 %)/ вольфрам (80 %) - рений (20 %)	0 – 2200 (2500)	0 – 31,13 (33,64)
ТПР	ПР (В)	платинородий (70 % Pt + 30 % Rh)/ платинородий (94 % Pt + 6 % Rh)	300-1600 (1800)	0,43 – 11,26 (13,58)
ТПП	ПП (S)	платинородий (90 % Pt + 10 % Rh)/ платина	0 – 1300 (1600)	0 – 13,15 (16,77)
ТХА	ХА (К)	хромель (90,5 % Ni + 9,5 % Cr)/ алюмель (94,5 % Ni + Al, Si, Mn, Co)	-200 - +1000 (1300)	-5,89 - +41,27 (52,40)
ТХК	ХК (L)	хромель (90,5 % Ni + 9,5 % Cr)/ копель (56 % Cu + 44 % Ni)	-200 - + 600 (800)	-9,50 - +49,10 (66,47)
ТМК	МК (М)	медь / копель (56 % Cu + 44 % Ni)	-200 - +100	-6,15 - +4,72

Пределы допускаемых отклонений термо-ЭДС, от СНХ Таблица 2

Тип ТП	Диапазон температур, С	Предел допускаемых отклонений , мВ
ТПП	0 – +300 +300 – +1600	0,008
ХА	-200 – 0 0 – +300 +300 – +1300
ХК	-200 – 0 0 – +300 +300 – +800

Для определения измеряемой температуры по генерируемой термопарой ЭДС, но при температуре соединительного спая , отличной от 0 С, необходимо автономное измерение температуры этого спая и проведение соответствующего расчета.

Если , то , где - ЭДС, развиваемая ТП при измеряемой температуре и температуре соединительного спая ; - ЭДС ТП при температуре измерительного спая и нулевой температуре соединительного спая. Таким образом, по известной или измеренной температуре соединительного спая НСХ ТП определяется . Измеряется и далее находится сумма и . По суммарной ЭДС с использованием НСХ ТП находится измеряемая температура .

В приложениях 1, 2 приведены НСХ ТП типа ТХА и ТХК.