Методы контактных электроизмерений

СОДЕРЖАНИЕ

Введение……………………………………………………………………
1. Методы контактных электроизмерений…………….….…………. 1.1. Методы измерений сверхнизких температур……………… 1.2. Методы измерений низких температур……………………… 1.3. Методы измерений средних и высоких температур с помощью термопар…………………….……………………… 1.4. Методы измерения высоких температур..……………………
2. Бесконтактные методы измерения температур……………… 2.1. Бесконтактные методы измерения средних и высоких температур …………………………………………………. 3. Простой цифровой термометр……………………………………….
Список использованных источников...…………………………………….

 

Введение

Современная термодинамика определяет температуру как величину, выражающую состояние внутреннего движения равновесной макроскопической системы и определяемую внутренней энергией и внешними параметрами системы. Непосредственно температуру измерить невозможно, можно лишь судить о ней по изменению внешних параметров, вызванному нарушением состояния равновесия благодаря теплообмену с другими телами.

Каждому методу определения температуры, в основе которого лежит зависимость между каким-либо внешним параметром системы и температурой, соответствует определенная последовательность значений параметра для каждого размера температуры, называемая температурной шкалой. Наиболее совершенной шкалой является термодинамическая температурная шкала (шкала Кельвина). Практическая ее реализация осуществляется с помощью Международной практической температурной шкалы (МПТШ), устанавливающей определенное число фиксированных воспроизводимых реперных точек, соответствующих температуре фазового равновесия различных предельно чистых веществ.

Исходным эталоном температуры является комплекс изготовленных в разных странах мира газовых термометров, по показаниям которых определяются численные значения реперных точек по отношению к точке кипения химически чистой воды при давлении 101325 Па, температура которой принята равной 100,00°С(373,15 К точно). Для практического воспроизведения и хранения МПТШ международным соглашением установлены единые числовые значения реперных точек, которые с развитием техники время от времени уточняются и корректируются. Последняя корректировка была произведена в 1968 г. Согласно МПТШ—68 установлены следующие реперные точки, соответствующие давлению 101325 Па: точка кипения кислорода —182,97 °С (90,18 К), тройная точка воды (при давлении 610 Па) +0,01 °С (273,16 К), точка кипения воды +100,00 °С (373,15 К), точки затвердевания: олова +231,9681 °С (505,1181 К), цинка +419,58 °С (692,73 К), серебра +961,93 °С (1235,08 К) и золота +1064,43 °С (1337,58 К).

Весь температурный диапазон перекрывается семью шкалами, для воспроизведения которых в зависимости от области шкалы используются различные методы: от 1,5 до 4 К — измерение давления паров гелия-4, от 4,2 до 13,8 К — германиевые терморезисторы, от 13,8 до 273,16 К и от 273,16 до 903,89 К— платиновые терморезисторы от 903,89 до 1337,58 К — термопары платинородий — платина, от 1337,58 до 2800 К — температурные лампы и от 2800 до 100 000 К — спектральные методы.

Все приборы и методы, в зависимости от значений измеряемых температур, можно разделить на две группы. Первая группа охватывает методы и приборы для измерения в области средних и низких температур: она характеризуется применением контактных методов измерения и относительно узким рабочим диапазоном приборов. Вторая группа включает методы, в которых используется энергия излучения нагретого объекта, без непосредственного контакта с ним преобразователя. Эти методы применяются для измерения как высоких, так и низких температур.

1. Методы контактных электроизмерений.

1.1. Методы контактных электроизмерений сверхнизких температур.

К сверхнизким, или «гелиевым», температурам относятся температуры, получаемые с помощью жидкого гелия (температура кипения около 4 К). Специфика методов измерения температур ограничивает этот диапазон значениями от 0 до 10 К.

Существующие методы контактного измерения сверхнизких температур распространяются лишь на отдельные участки этого диапазона. Так, для измерения температур от 1 до 4 К используются терморезисторы из фосфористой бронзы с мелкими включениями свинца. Свинец при температуре около 4 К переходит в состояние сверхпроводимости, и сопротивление терморезистора изменяется. Такие терморезисторы имеют максимальную чувствительность при температурах от 1,5 до 4 К, но их показания зависят от величины рабочего тока, протекающего через терморезистор, и внешних магнитных полей.

Для измерения температур ниже 1 К используются методы магнитной термометрии, основанные на зависимости объемной магнитной восприимчивости c ряда парамагнитных солей от абсолютной температуры Q, описываемой законом Кюри—Вейсса: с = С/(Q ‑ D), где С и D — постоянные, характерные для используемой соли.

Термометр, осуществленный по этому принципу, представляет собой катушку индуктивности, внутри которой в достаточно однородном поле размещен образец из меднокалиевых или железоалю-миниевых квасцов. Катушка включается в мостовую цепь, и изменение температуры, вызывающее изменение c. образца, приводит к изменению индуктивности катушки, пропорциональному измеряемой температуре.

Для измерения температуры выше 4 К используются термошумовые термометры. Область их применения простирается до 1300 К, и поэтому они описаны в следующем параграфе.

Основной трудностью при измерениях в области сверхнизких температур, кроме осуществления теплового контакта термометра и объекта измерения, являются методы градуировки используемой аппаратуры.

В диапазоне температур от 1 до 4 К базовым прибором для воспроизведения температурной шкалы является гелиевый газовый термометр. Примером такого термометра может служить прибор, созданный во ВНИИФТРИ и имеющий строго постоянный объем, давление в котором, изменяющееся линейно с температурой, измеряется точным мембранным манометром. Кроме того, в диапазоне температур от 1 до 5 К используются конденсационные термометры в основе которых лежит хорошо изученная зависимость давления насыщенных паров жидких газов от температуры. Точность, достигаемая при измерениях температуры с помощью конденсационных термометров, весьма велика. Так, при использовании жидкого гелия погрешность измерения не превышает 0,002 К.

Осуществление градуировки термометров в диапазоне температур от 4 до 10 К производится интерполяцией показаний платинового термометра, для чего используются угольные терморезисторы изготовленные из специально обработанного каменного угля. Используя эмпирические зависимости сопротивления от температуры в области выше 14 К и ниже 4 К и производя интерполяцию внутри этого диапазона температур, получают выражения, описывающие температурную зависимость сопротивления угольных термометров для температур от 1 до 14 К, которая обеспечивает определение температуры с погрешностью, не превышающей ±:0,1К. При этом следует иметь в виду, что угольным терморезисторам свойственна сильная нестабильность, поэтому градуировку производят перед каждым измерением. Для измерения сверхнизких температур от 4 до 14 К также применяются германиевые терморезисторы.

 

1.2. Методы контактных электроизмерений низких температур

 

Термин «низкие температуры» не имеет строго установленного значения. Обычно в понятие «низкие» включают область температур от 10 до 800 К. Для измерения таких температур используются металлические и полупроводниковые терморезисторы, термопары или термобатареи.

Достаточно точное измерение температур в диапазоне от 4 до 1300 К может быть основано на зависимости шумового напряжения на резисторе от температуры Средний квадрат напряжения шума по формуле Найквиста, где = 1,38∙10-23 Дж/К — постоянная Больцмана; —полоса воспринимаемых частот. Практическая реализация метода заключается в сравнении шумов двух идентичных резисторов, один из которых находится при известной, а другой — при измеряемой температуре. Сравнение шумов резисторов осуществляется двумя методами: либо по величине шумового напряжения (усиленного и выпрямленного), если уровень шумов достаточно высок, что соответствует температуре выше 500 К, либо по числу шумовых импульсов — для более низких температур.

В первом случае датчик термометра выполняется из платиновой проволоки диаметром 2,5 мкм с платиновым экраном толщиной 50 мкм в кварцевой оболочке. Использование такого термометра позволяет производить достаточно точные измерения температуры (погрешность измерения Q = 1000 К составляет 1%). Во втором случае датчиком служит резистор типа УЛИ, МЛТ или БЛП, так как для увеличения уровня шума собственная емкость датчика должна быть минимальной, ибо она ограничивает частотную полосу шума . В практических конструкциях ее величина не превышает 3 пФ.

Термометры ядерного квадрупольного резонанса (ЯКР) основаны на взаимодействии градиента электрического поля кристаллической решетки и квадрупольного электрического момента ядра, вызванного отклонением распределения заряда ядра от сферической симметрии. Это взаимодействие обусловливает прецессию ядер, частота которой называется частотой ЯКР, зависит от градиента электрического поля решетки и для различных веществ имеет значения от сотен килогерц до тысяч мегагерц. Градиент электрического поля решетки зависит от температуры, и с повышением температуры частота ЯКР понижается.

Датчик ЯКР-термометра представляет собой ампулу с веществом, помещенную внутрь катушки индуктивности, включенной в контур LC-генератора. При совпадении частоты генератора с частотой ЯКР происходит поглощение энергии от LC-генератора. Для периодического поглощения энергии электромагнитное поле модулируется напряжением низкой частоты. Полученные на контуре генератора периодические изменения напряжения подаются на указатель резонанса и служат сигналом к отсчету частоты генератора частотомером. В качестве термометрического вещества ЯКР используется гранулированный КСIO3, очищенный двойной рекристаллизацией, а частота ЯКРСl35 при 20 °С составляет 28213324 ± 10 Гц. Ширина сигнала ЯКР (полоса частот, в которой происходит поглощение энергии) порядка 500 Гц. Погрешность измерения температуры 10 К составляет ±0,02 К, а при 300 К равна ±0,002 К. Чувствительность в районе 300 К равна 4,8 кГц/К. Зависимость сигнала ЯКР от внешних магнитных полей требует экранировки датчика (магнитное поле Земли вызывает расширение резонансного сигнала на 200 Гц).

Достоинством ЯКР-термометра является его не ограниченная во времени стабильность, так как зависимость частоты от температуры определяется только молекулярными свойствами вещества и остается неизменной для всех образцов данного химического вещества. Недостаток ЯКР-термометров — резкая нелинейность их характеристики, исключающая возможность прямого цифрового отсчета температуры.

Электроакустический частотно-цифровой термометр основан на зависимости скорости распространения звука в газах от их температуры. Датчик электроакустического термометра состоит из цилиндрического резонатора, в котором возбуждаются продольные акустические колебания. Собственная частота трубчатого полуволнового резонатора длиной с учетом и вириального коэффициента В, учитывающего отклонение свойств реального газа от свойств идеального, равна

 

где R = 8,314 Дж/(К моль) — универсальная газовая постоянная; T — измеряемая температура; Р — давление; М — молекулярная масса газа.

Конструкция датчика частотно-цифрового акустического термометра, приведена на рис. 1. В полости резонатора l электростатическим возбудителем 2 возбуждаются продольные акустические колебания, которые принимаются аналогичным по конструкции приемником 4. Использование электростатических преобразователей позволяет создать конструкции приемника и возбудителя, работоспособные как при низких (—100 °С), так и при высоких (+400 °С) температурах, обладающие равномерной характеристикой чувствительности в диапазонах частот акустических колебаний от 5 до 15 кГц. Мембраны 3 и 5 соответственно возбудителя 2 и приемника 4 толщиной 4 мкм выполнены из никеля методом электрохимического напыления и имеют собственную частоту около 30 кГц.

Вывод от электрода приемника акустических колебаний окружен эквипотенциальным экраном, потенциал которого специальным электронным устройством непрерывно поддерживается равным потенциалу. Резонатор включен в цепь положительной обратной связи усилителя, образуя генератор, частота которого определяется измеряемой температурой согласно формуле. При 20°С она равна 10 кГц, а при измерении температуры изменяется на 1,8% на 10 К.

 

Рис.1. Конструкция датчика частотно-цифрового акустического термометра

 

Для обеспечения непосредственного цифрового отсчета измеряемой температуры в Кельвинах устройство цифрового отсчета работает в два такта. Погрешность термометра составляет 0,05 К и менее.

Термометры с кварцевыми резонаторами используются для измерения температур от 10 до 500 К, но наиболее высокую точность обеспечивают в области от 193 до 473 К (от —80 до +200 °С). Их принцип действия основан на зависимости от температуры T модуля упругости, а следовательно, и собственной частоты кварцевых пластин, описываемой соотношением

 

где N — постоянная; h — толщина кварцевой пластины; а, b и с — коэффициенты, зависящие от азимута и широты среза.

Собственная частота при h = 0,1 мм получается равной 28,203 МГц, а термочувствительность 1000 Гц/К.

Датчик кварцевого термометра представляет собой кристаллический резонатор, выполненный в виде тонкого диска или линзы, помещенный в герметизирующий кожух, заполненный для лучшей теплопроводности гелием при давлении 0,1 мм. рт. ст. (диаметр кожуха 7—10 мм). В центральной части линзы или диска нанесены золотые электроды возбуждения, а держатели (выводы) располагаются на периферии.

Точность и воспроизводимость показаний определяются главным образом изменением частоты и добротностью резонатора, понижающейся при эксплуатации вследствие развития микротрещин от периодического нагрева и охлаждения.

Измеряемая схема кварцевого термометра состоит из датчика, включенного в цепь положительной обратной связи усилителя, и частотомера. При добротности датчика до 3∙10⁶ погрешность измерения температуры равна 10^‑3 К. Существенным недостатком кварцевых термометров является их инерционность, составляющая несколько секунд, и нестабильность работы при T > 100 °C из-за возрастающей невоспроизводимости (более 10-7).

 

1.3. Методы измерений средних и высоких температур с помощью термопар

 

Средними в термометрии считаются температуры от 500 (начало свечения) до 1600 °С (белое каление), а высокими— от 1600 до 2500°С, до которых удается распространить термоэлектрический метод с использованием высокотемпературных, жаростойких материалов.

Основным вопросом при использовании этого метода для измерения средних и высоких температур является защита термоэлектродов от разрушающего химического и термического воздействия среды. Для этого термопары снабжаются защитной арматурой в виде чехлов, трубок или колпачков из огнеупорных материалов. Главное требование к защитной оболочке — высокая плотность строения и температурная стойкость. При измерении температур ниже 1300 °С используются фарфоровые чехлы, при более высоких температурах — колпачки из тугоплавких материалов (такие, как корунд, окиси алюминия, бериллия или тория), заполненные инертным газом.

При измерении температуры поверхности тел особенную трудность составляет контакт рабочего спая термопары с поверхностью нагретого тела. Для улучшения контакта используются термопары, рабочий спай которых выполнен в виде ленты или пластины. Такая конфигурация рабочего спая при деформации позволяет воспроизводить поверхность объекта измерения.

Для измерения температур до 2000—2500 °С используются вольфрамовые или иридиевые термопары. Особенностью их применения является измерение в вакууме, в инертной или восстановительной средах, так как на воздухе они окисляются. Чувствительность вольфрамомолибденовой термопары составляет 7 мкВ/К, а вольфраморениевой 13 мкВ/К.

В условиях высоких температур применяются термопары из огнеупорных материалов (пары карбид титана — графит, карбид циркония — борид циркония и дисилицид молибдена — дисилицид вольфрама). В таких термопарах внутри цилиндрического электрода (диаметр около 15 мм) имеется второй электрод—стержень, соединенный с первым электродом на одном конце трубки. Чувствительность термопар из огнеупорных материалов достигает 70 мкВ/К, однако их применение ограничено инертными и восстановительными средами.

Для измерения температуры расплавленного металла термопарами из благородных металлов используется метод, заключающийся в погружении термопары в металл на время, безопасное для ее работоспособности. При этом термопара на короткое время (0,4—0,6 с) погружается в контролируемую среду, и измеряется скорость нарастания температуры рабочего спая. Зная зависимость между скоростью нагрева термопары (ее тепловую инерционность) и температурной среды, можно рассчитать значение измеряемой температуры. Этот метод применяется для измерения температуры расплавленного металла (2000—2500 °С) и газового потока (1800 °С).

1.4. Методы измерения высоких температур.

Контактные методы измерения высоких температур основаны на использовании переходного процесса нагрева термопары:

 

Где прирост температуры горячего спая за промежуток времени, равный t; T-разность температур объекта исследования и преобразователя; -постоянная времени преобразователя.

Используя это соотношение, достаточно точное для регулярного теплового режима, можно определить температуру объекта, не ожидая, пока горячий спай термопары нагреется до температуры объекта, а получив лишь начальный участок кривой переходного процесса .

Ограничив время погружения термопары в высокотемпературную среду 0,4 0,6 с, получают осциллограмму начального участка переходного процесса и по ней вычисляют значение температуры среды. Если максимальная температура, до которой успевает нагреться термопара, составляет около половины измеряемой, то погрешность определения последней не превосходит удвоенной погрешности термопары. Этот метод используется, в частности, для измерения температуры расплавленной стали.

Инерционность термопар, обусловленная их конструктивными способностями, ограничивает применение термопар для измерения быстропеременных температур. Радикально уменьшить инерционность только за счет конструктивных усовершенствований достаточно трудно.

При малых скоростях среды, температура которой измеряется, и невозможности глубокого погружения в нее преобразователя применяют так называемые отсасывающие термопары для понижения инерционности преобразователя и улучшения теплового контакта со средой.

Бесконтактные методы измерения температур.

Если какое-либо тело нагрето значительно выше температуры окружающей среды, то его теплообмен со средой происходит не только путем теплопроводности… Воспринимая это излучение, можно измерять температуру без непосредственного… В радиационных пирометрах измеряется интегральное тепловое излучение. В яркостном пирометре используется яркость…

Простой цифровой термометр

Основой предлагаемого устройства служит аналого-цифровой преобразователь на микросхеме DD2 с жидкокристаллическим индикатором HG1 (рис.3). В… Для питания датчика использован имеющийся в микросхеме DD2 источник опорного… Делитель из резисторов R4, R7, R10-R13, снижает напряжение до 600 мВ, что по величине соответствует напряжению на…