Тема 8.2: «Вимірювальні термометри»

При експлуатації котельних установок вельми важливою проблемою є вимірювання теплового випромінювання, включаючи вимірювання променистої енергії, одержуваної від якого-небудь джерела, і вимірювання радіаційних характеристик матеріалів, виразимих звично у вигляді відношення відображеної, поглиненої або переданої енергії до енергії, що поступила.

Датчики, що вимірюють променисту енергію, називають радіометрами. Найбільше поширення набули фотоелектричні і термічні перетворювачі.

Існує велика гамма вимірювальних термометрів:

• Ядерні магнітні резонансні термометри менш поширені, але перспективні для вимірювання наднизьких температур. Як термочувствітельних елементи в них використовуються високо чисті метали: платина, алюміній, мідь.

• Магнітні термометри - реалізується температурна залежність магнітної сприйнятливості парамагнітних солей.

Термометри ємності - використовується температурна залежність діелектричної проникності матеріалів, яка від температури вище за точку Кюрі підкоряється закону Кюрі - Вейса.

• Тепловізори - перетворять інфрачервоне випромінювання у видиме в реальному масштабі часу при зміні інформації, порівнянної з вживаною в телебаченні.

• Плавкі металеві вставки - ґрунтуються на постійності температур плавлення металів і їх сплави. На цій підставі застосування термо чутливих вставок, конструкція яких вибирається так, щоб плавлення приводило до необоротних і легко помітних змін, наприклад у вигляді трубочки або кільця, закарбовуваних в лунку.

• Термо фарба - суспензія термо чутливих з'єднань, наповнювачів, зв’язуючи і розчинників, яка після нанесення на будь-яку тверду поверхню твердне при висиханні у вигляді тонкої плівки і здатна змінювати свій колір при температурі переходу.

Використовують:

термо лаки, термо пасти, термо олівці, термо таблетки - використовується в електрозапобіжниках, термо порошки.

• Термоконденсатори

Виготовляються з феромагнетиків і сегнетоелектриків і застосовуються при вимірюванні безконтактними методами.

У тих і інших магнітна проникність залежить від температури, проте, для вимірювання температури, наприклад електричної машини, більш зручний сегнетоелектрик, оскільки на його діелектричну проникність не впливає магнітне поле машини.

Залежність діелектричної проникності сегнетоелектрика в пара електричні модифікації від температури вище за точку Кюрі с підкоряється закону Кюрі - Вейса. Тому місткість конденсатора, виготовленого з такого матеріалу, визначається формулою:

Кс

С= ,

 - с

Де:

Кс - константа;

 - температура.

Для точного вимірювання температури доцільно вибирати матеріали, точка Кюрі яких лежить приблизно на 50 °С нижче мінімальної температури робочого діапазону.

На рис . 1 показана характеристика конденсатора з твердого розчину титаніту стронцію в титаніті барію, точка Кюрі якого приблизно рівна 50 °С.

Константа Кс для цього конденсатора складає 2.5 * 10^-3 пФ* град.

Діаметр такого конденсатора рівний 12 мм, висота 1 мм, постійна часу близько 1,5 с. Температурний гістерезис конденсаторів складає приблизно ± 1 °С при температурі 0 °С.

С, пФ

5000

3000

2000

1000

0 40 80 120 160 , С

Рис. Температурна характеристика керамічного конденсатора з твердого розчину титаніту стронцію в титаніті барію.

При вимірюванні температури з використанням термопари послідовно з вимірювальним спаєм включають компенсаційні спаї, звані іноді холодними (або їх електричні компоненти), які дозволяють одержати струм певного напряму і максимальну е.р.с. вимірювального спаю.

При проведенні точних вимірювань звичайно обидва компенсаційні спаї з мідними висновками тримають при температурі танення льоду. Оскільки зміна температури компенсаційних спаїв, з одного боку, впливає на вихідний сигнал, а з другого боку, застосування ванн з льодом для стабілізації температури цих спаїв незручне, то на практиці звичайно використовують інші методи. Для того, щоб компенсувати помилку, що виникає через зміну температури навколишнього середовища поблизу компенсаційних спаїв, застосовують метод електричного моста з схемою авто компенсації.

У тих випадках, коли можливе тільки візуальне спостереження досліджуваного процесу, для вимірювання температури вдаються до оптичних пірометрів. Діапазон вимірюваних температур в цьому випадку обмежується діапазоном спектральної чутливості використовуваного датчика.

Материал А Си

Материал В Си

Материал А Си +

Материал В Си -

Рис. Схеми компенсації холодних спаїв термопар.

При вимірюванні порівнюють випромінювання від опорного джерела , що калібрується, з випромінюванням від досліджуваного процесу; при цьому виробляється вихідний струм, величина якого відповідає температурі досліджуваного процесу.

П роцес

-

+

+ Io, С

+ - -

Рисунок - Автоматичний пірометр

У автоматичних пірометрах це порівняння здійснюється схемою із зворотним зв'язком, в якій використовуються сервомеханізми. Пірометри вимірюють температуру до 5000 °С

Е

+ -

I

-

+ 2,2 мВ/ С

Т

Рисунок - Напівпровідниковий датчик температури

Одним з сучасних методів вимірювання температури є метод, заснований на використовуванні транзистора із зсувом базового переходу в прямому напрямі. У діапазоні робочих температур ± 100 °С погрішність вимірювання цим методом складає 0,1 °С. На практиці в робочому діапазоні температур цих датчиків проводиться найбільше число вимірювань температури. Негативний температурний коефіцієнт падіння напруги на переході базі - емітер біполярного транзистора рівний 2,2 мВ/ °С, і при живленні від стабілізованого джерела струму датчика може бути зроблений дуже стабільним.