close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

8. Приборы измерения контроля температуры

код для вставки
Температура – степень нагретости вещества. Данное понятие основано
на способности передавать тепло различными телами (веществом) друг другу
при разной степени их нагретости и находиться в состоянии теплового
равновесия при равных температурах. Причем тепло всегда передается от
тела с более высокой температурой к телу с низкой температурой.
Температура может быть также определена как параметр теплового
состояния вещества, обуславливаемый средней кинетической энергией
движения его молекул.
где Е – кинетическая энергия поступательного движения молекул,
k – постоянная Больцмана,
Т – температура газа.
Отсюда очевидно, что понятие «температура» для одной молекулы
неприменимо, т.к. при какой-либо конкретной температуре энергия одной
молекулы не может быть охарактеризована средним значением. Из данного
положения следует, что понятие «температура» является статистическим.
Температура измеряется приборами, которые называются термометрами, в
основу работы которых могут быть заложены различные физические
принципы. Возможность измерения температуры такими приборами
основывается на явлении теплового обмена телами с разной
степенью нагретости и изменении их физических (термометрических)
свойств при нагревании (охлаждении).
Для количественного определения температуры необходимо выбрать
ту или иную температурную шкалу. Температурные шкалы строятся на
основе определенных физических свойств какого-либо вещества, которые не
должны зависеть от посторонних факторов и должны быть точно и удобно
замеряемыми. На самом деле не существует ни одного термометрического
свойства для термометрических тел или веществ, которые бы полностью
удовлетворяли указанным условиям во всем диапазоне измеряемых
температур.
Поэтому температурные шкалы определяются для различных
температурных диапазонов, построенных на произвольном допущении
линейной зависимости между свойством термометрического тела и
температурой. Такие шкалы называются условными, а измеряемая по ним
температура – условной.
К условной температурной шкале относится одна из распространенных
шкал - шкала Цельсия. По этой шкале в качестве границ условного диапазона
измерения приняты точки плавления льда и кипения воды при нормальном
атмосферном давлении, а одну сотую часть данной шкалы принято называть
одним градусом Цельсия (1 0С).
В настоящее время наряду с выражением температуры в кельвинах (К)
и градусах Цельсия (0С). В других странах часто используют градусы
Фаренгейта (0F), градусы Ранкина (0Ra) и градусы Реомюра (0Re). Пересчет
числовых значений температуры из одной шкалы в другую осуществляется
по следующим соотношениям:
Однако, построение такой температурной шкалы с использованием
жидкостных термометров может привести к ряду затруднений, связанных со
свойствами используемых термометрических жидкостей. Например,
показания ртутного и спиртового термометров, работающих на принципе
расширения жидкости, будут различными при измерении одной и той же
температуры в силу различных коэффициентов их объемного расширения.
Термодинамическая температурная шкала Кельвина стала использоваться
как исходная шкала для других температурных шкал, не зависящих от
термометрических свойств рабочего вещества. Для определения одного
градуса по этой шкале интервал, находящийся между точками плавления
льда и кипения воды, делится, как и в стоградусной шкале Цельсия, на сто
равных частей. Таким образом, 1 0С оказывается равным 1 0К.
По данной шкале, принятой называться абсолютной за нулевую точку
принимается температура на 273,150 ниже точки плавления льда, называемая
абсолютным нулем. Теоретически доказано, что при этой температуре
прекращается всякое тепловое движение молекул любого вещества, поэтому
эта шкала в известной мере носит теоретический характер.
Термометры стеклянные жидкостные
Термометры расширения используются для измерения температур в
достаточно широком диапазоне, с границами от минус 200 до 750 0С. Эти
термометры получили широкое распространение как в промышленности, так
и в лабораторной практике. Рабочим веществом в жидкостных термометрах в
зависимости от измеряемых температур могут использоваться различные
жидкости, а корпуса термометров изготавливаются из стекла различных
марок (боросиликатное и кварцевое стекло). Область применения
стеклянных термометров, а также значения коэффициентов видимого и
действительного расширения приведены в таблице
Принцип действия таких термометров основан на тепловом
расширении рабочей жидкости, заключенной в рабочий объем термометра,
состоящий из резервуара и капилляра.
Жидкостные стеклянные термометры
основаны на объемном расширении жидкости,
заключенной в закрытом стеклянном резервуаре.
Резервуар соединен с капилляром — трубкой,
имеющей малый внутренний диаметр. При
нагревании резервуара заполняющая его
жидкость увеличивается в объеме и поднимается
вверх по капилляру. По высоте столбика
жидкости в капилляре можно судить об
измеряемой температуре. Чем тоньше капилляр,
тем
чувствительнее
термометр.
Рабочей
жидкостью в термометрах обычно служит ртуть,
метиловый и этиловый спирт, керосин, пентан,
толуол, галлий, амальгама таллия.
Основные
достоинства
стеклянных
жидкостных
термометров
–
простота
употребления и достаточно высокая точность измерения даже для
термометров серийного изготовления. К недостаткам стеклянных
термометров можно отнести: плохую видимость шкалы (если не применять
специальной увеличительной оптики) и невозможность автоматической
записи показаний, передачи показаний на расстояние и ремонта.
ГАЛИНСТАН® - единственный в
мире заменитель ртути - сплав галлия,
индия и олова, не токсичен и безопасен для
человека. 68,5 % галлия, 21,5 % индия и 10
% олова. Торговая марка принадлежит
немецкой компании Geratherm Medical AG.
Заявленная температура плавления −19
градусов Цельсия. Сплав малотоксичен.
Основное применение — замена ртути в
некоторых областях, в первую очередь в
бытовых термометрах. Сплав смачивает стекло, поэтому в термометрах
стекло покрывают пленкой оксида галлия. Другой недостаток подобных
термометров — галинстан расширяется при затвердевании и разрывает
стеклянную колбу при охлаждении ниже −19 градусов.
Биметаллические термометры
В биметаллических термометрах в качестве
рабочего тела используются твердые материалы (в
основном металлы). Их принцип действия основан на
изменении размеров твердого тела в зависимости от
изменения температуры в ограниченном температурном
диапазоне, в котором сохраняется линейная зависимость удлинения рабочего
тела от температуры.
1 - трубка (чувствительный элемент);
2 - стержень . Трубка имеет коэффициент линейного
расширения больший, чем стержень;
3 – штуцер;
4 - настроечная пробка;
5 - основной рычаг;
6 – ось;
7 - пружина ;
8 – тяга;
9 – указательная стрелка;
10 - шкала.
Биметаллические термометры обладают рядом достоинств (простота
устройства, высокая чувствительность), однако для непосредственного
измерения температуры используются редко. В основном они находят
применение в качестве первичных измерительных преобразователей в
системах автоматического регулирования температуры.
Он состоит из металлической трубки (чувствительного элемента) 1,
внутри которой находится стержень 2. Трубка имеет коэффициент линейного
расширения больший, чем стержень. Верхний конец трубки закреплен в
штуцере 3. С нижней стороны внутренний стержень крепится к настроечной
пробке 4. На верхний конец стержня, который находится в головке
термометра, опирается основной рычаг 5, качающийся вокруг оси 6. Этот
рычаг прижимается к стержню при помощи пружины 7 и соединяется с
указательной стрелкой 9 посредством тяги 8. Отсчет температуры
производится по шкале 10. При измерении температуры нижняя часть
термометра (трубка 1) полностью погружается в измеряемую среду. При
повышении температуры среды трубка удлиняется больше, чем стержень,
вследствие чего стержень перемещается вниз. При перемещении стержня
одновременно перемещается вниз и основной рычаг, который своим
свободным концом устанавливает стрелку прибора в место шкалы,
соответствующее измеряемой температуре.
В качестве чувствительного элемента в
биметаллических
термометрах
используется пластина из двух полос
различных металлов, сваренных по всей
длине. Поскольку коэффициент линейного
термического расширения для этих металлов
различен, то при нагревании пластины происходит ее изгиб в направлении
металла с меньшим коэффициентом расширения. При этом изгиб пластины
может быть преобразован в перемещение указательной стрелки или в
перемещение электрических нормально открытых (закрытых) контактов.
Наиболее часто применяемыми металлами в биметаллических
термометрах являются инвар-сталь или инвар-латунь. Инвар— сплав,
состоящий из никеля (Ni, 36 %) и железа (Fe, остальное). Сплав обладает
малым температурным коэффициентом линейного расширения и
практически не расширяется в интервале температур от −100 до +100 °C.
При высоких температурах в биметаллической пластине в результате
изгиба могут возникнуть напряжения, превышающие предел упругости
металла, поэтому в этих термометрах предусматриваются соответствующие
ограничители.
В настоящее время выпускаются биметаллические термометры в
антикоррозийных и взрывозащищенных корпусах, а также вибропрочные и
предназначенные для работы в агрессивных средах.
Погрешность биметаллических промышленных термометров зависит
от типа термометра, класса точности и от диапазона температур. Для низких
температурных пределов ( от -70 до 100 °С) погрешность находится обычно в
пределах 1°С для класса 1. При высоких температурах до 600 °С
погрешность может достигать 10 °С.
Российского стандарта на поверку биметаллических термометров не
существует. Методика поверки утверждается при внесении приборов в
Госреестр. Поверка биметаллических термометров выполняется в
термостатах методом сличения с эталонным термометром. По разнице
показаний эталонного и поверяемого термометра определяется погрешность
биметаллического термометра в нескольких точках шкалы и вариация
показаний при нагреве и охлаждении термометра. Необходимо отметить, что
нормируемые производителем пределы измерений и пределы показаний
термометров могут различаться. Погрешность нормируется только в рамках
предела измерения, который может быть меньше, чем предел показаний (вся
оцифрованная шкала).
Термометр биметаллический считается отличной альтернативой
ртутно-стеклянному жидкостному термометру.
Манометрические термометры
Принцип
действия
манометрических
термометров основан на изменении объема либо
давления рабочего вещества в замкнутой системе в
зависимости от температуры. К первому типу
приборов относятся манометрические жидкостные
приборы, а ко второму типу – паровые и газовые.
Манометрические
термометры
являются
техническими приборами для измерения температуры
в пределах от -150 до 600 0С, в зависимости от
рабочего вещества, и применяются в различных
областях техники. При этом их основная погрешность не превышает ±1,5%.
Следует отметить, что манометрические термометры допускают
передачу показаний на сравнительно большие расстояния (до 60 м).
Преимуществом манометрических термометров является простота
конструкции, вибрационная устойчивость и полная взрывобезопасность, если
отсутствуют электрические контакты. К недостаткам их можно отнести
необходимость сравнительно частых поверок и трудность ремонта при
поломке капилляра.
Устройство манометрического термометра
схематично показано на рис Термометр состоит из
термобаллона 1, погружаемого в измеряемую среду,
капилляра 2 и согнутой по кругу манометрической
пружины 3, имеющей в сечении форму эллипса и
впаянной в держатель 4. Внутренняя полость
манометрической трубки связана при помощи
капилляра
с
термобалоном,
образующие
термосистему.
Свободный
конец
пружины
герметизирован и шарнирно с помощью поводка 5
связан с сектором 6. Этот сектор в свою очередь
соединен зубчатым зацеплением с трибкой 7, на оси
которой закреплена указательная стрелка 8. Для
выбора зазора в передаточном механизме
установлен спиральный волосок 9, конец
внутреннего витка которого закреплен на оси трибки. Для компенсации
изменения температуры окружающей среды в приборе предусматривается
биметаллический термокомпенсатор 10.
При нагревании термобаллона рабочее вещество расширяется, что
приводит к повышению давления в замкнутом объеме термосистемы.
Давление преобразуется манометрической пружиной в перемещение стрелки
указателя прибора.
Капиллярная трубка имеет внутренний
диаметр 0,2—0,5 мм. Для защиты от повреждений
трубка заключается в чулок из стальной или медной
проволоки.
В измерительном механизме манометрического
термометра
применяют
одновитковые
и
многовитковые
трубчатые
пружины.
Манометрические термометры подразделяются на
жидкостные, паровые и газовые. В жидкостных
манометрических термометрах в качестве рабочей жидкости используют
ртуть, ксилол и метиловый спирт.
В паровых и газовых термометрах (заполняются азотом или гелием)
воздействие окружающей температуры незначительно. В газовых
термометрах
отсутствует
погрешность
от
дополнительного
гидростатического давления, поэтому длина капилляра у газовых
термометров может достигать 60 м. У жидкостных и паровых термометров
длина капилляра не более 10 м. Термобаллон изготовляют из стали или
латуни, капиллярную трубку — из меди или стали, манометрическую
пружину — из латуни. Применяемый материал зависит от свойств рабочей
жидкости и измеряемой среды. Погрешность для жидкостных и газовых
термометров не превышает 1,5%, а паровых термометров 2,5%.
Максимальное допустимое давление внутри замкнутой системы
манометрических термометров 60 кгс/см2.
Манометрические термометры могут быть снабжены сигнальными
контактами, устройствами для дистанционной передачи показаний и
устройствами для регистрации. Отсутствие электрических цепей позволяет
применять их во взрывоопасной среде. К недостаткам манометрических
термометров относятся: малая механическая прочность капиллярных трубок,
инерционность, сложность ремонта и монтажа.
Термоэлектрические преобразователи температуры
Термоэлектрический
метод
измерения
температур основан на функциональной зависимости
термоэлектродвижущей
силы
(термо-э.д.с.)
от
температуры. Термометры, в которых реализуется
данный принцип, состоят из чувствительного элемента,
представляющего два спаянных разнородных металла
(термопара), и электроизмерительного прибора. Данные
термоэлектрические термометры используются для
измерения температур в диапазоне от минус 200 до 2500 0С. (вольфрамрениевые термопары) Особенностью их использования является
необходимость устранения окислительной атмосферы, разрушающей
проволоку. Для вольфрам-рениевых термопар используют специальные
герметичные конструкции чехлов, заполненные инертным газом, а также
танталовые и молибденовые чехлы с неорганической изоляцией из оксида
бериллия и оксида магния. Одно из важных применений вольфрам-рениевых
термопар состоит в измерении температур в ядерной энергетике в
присутствии потока нейтронов.
Термопара
представляет
собой
соединение двух проводников, изготовленных
из разных металлов. Эти проводники
называют термоэлектродами. Существуют
также термопары из полупроводниковых
материалов. Эффект Зеебека (немецкий физик
19в.в.). При нагревании места соединения (спая) в нем возникает термоэлектродвижущая сила, величина которой однозначно зависит от
температуры нагрева. Почти любое сочетание двух разных металлов дает
термоэлектродвижущую силу при нагреве места соединения, однако для
практических целей пригодны лишь немногие сочетания. Материалы,
подбираемые для термоэлектродов, должны удовлетворять определенным
требованиям, в том числе обладать неизменностью свойств и химического
состава
при
рабочих
температурах,
достаточно
высокой
термоэлектродвижущей силой, иметь близкую к линейной зависимость
термоэлектро-движущей силы от температуры и способность протягиваться в
проволоку. При этом проволоки, изготовленные из металла разных плавок,
должны иметь одинаковые свойства.
Полностью этим условиям не удовлетворяет ни один из известных
материалов. В зависимости от назначения термопары изготовляют из
материалов, обладающих теми или иными качествами. Самые точные и
стабильные термопары составляют из благородных металлов: чистой
платины и сплава платины и родия (платинородий). Родий — благородный
металл, по химической стойкости в большинстве коррозионных сред
превосходит платину. Термопару платина — платинородий применяют для
точных лабораторных измерений и для технических измерений в особо
ответственных технологических процессах. Максимальный предел
измерения 1600° С. Технические термопары из неблагородных металлов
имеют меньшую стабильность характеристик, сравнительно низкую
предельную температуру, но обладают большой термо-электродвижущей
силой и значительно дешевле платиновых термопар.
Для технических измерений используют термопары: хромель—
алюмель (ΧΑ) и хромель — копель (ХК). Иногда используют термопары
медь — константан, медь — копель, железо — копель, которые не
изготовляются в массовом количестве.
Хроме́ль — сплав, состоящий из следующих элементов: хром — 8,7—
10 %; никель — 89—91 %; кремний, медь, марганец, кобальт — примеси.
Термопары заключают в защитную арматуру, которая предохраняетих от
повреждения.
Алюме́ль — сплав, состоящий из следующих элементов: Ni (93—96 %);
Al (1,8—2,5 %); Mn (1,8—2,2 %); Si (0,8—1,2 %)
Копель — сплав, состоящий из следующих элементов. Медь Cu,
Никель Ni, Марганец Mn.
Термоэлектродвижущая сила,
возникающая в спае, очень мала, поэтому
для работы в комплекте с термопарой
используют высокочувствительные
измерительные приборы: милливольтметры
магнитоэлектрической системы и
потенциометры.
Особенностью работы с термопарами
является
применение
стандартных
удлинительных
и
компенсационных
проводов. Провода позволяют передавать
сигнал с термопары на сотни метров к
измерительному
прибору,
внося
минимальную потерю точности.
Удлинительные провода изготавливаются из того же материала, что и
термоэлектроды термопары, но с более низкими требованиями по качеству
материалов. Компенсационные провода изготавливаются из совершенно
других материалов, чем термоэлектроды и применяются для термопар из
благородных металлов. Так, для термопары ПР в качестве компенсационной
может использоваться медная проволока. Применение компенсационных
проводов может стать доминирующим источником неопределенности
измерения температуры в промышленности, если разность температур двух
концов провода существенна. Так, например, если для термопары типа S
используется компенсационный провод, температура которого изменяется от
23 °С (головка термопары) до 0 °С (лед), то возникает дополнительная ЭДС
около 15 мкВ, что приведет к ошибке в измерении 1,4 °С для температуры
900 °С.
Существуют различные способы избежать этого эффекта. Самым
очевидным из них является поддержание температуры холодного спая
постоянной. На практике при измерении температур широко используется
техника «компенсации холодного спая»: температура холодного спая
измеряется другим датчиком температуры, а затем величина термоЭДС
холодного спая программно или аппаратно вычитается из сигнала
термопары.
Армированная термопара:
1— горячий спай,
2 — жароупорный наконечник,
3 — металлический чехол,
4 — фарфоровые изоляторы,
5 — головка термопары с
выходными зажимами
Источники погрешности термопар
Принцип действия термопар и особенности преобразования и передачи
сигнала приводят к следующим возможным проблемам при их эксплуатации,
вызывающим ошибку в определении температуры
1. Дефекты формирования рабочего спая термопары;
Существует много способов формирования рабочего спая термопары:
механическое скручивание, пайка, сварка и т.д. При пайке в спай добавляется
третий метал, но т.к. температуры проводников, исходящих из спая
одинаковы, это не может привести к какой-либо погрешности. Проблема
заключается в том, что третий метал, как правило, имеет более низкую
температуру плавления и при высоких температурах спай может разорваться.
Более того, может происходить загрязнение электродов чужеродным
испаряющимся металлом. Поэтому рекомендуется производить сварку
рабочего спая. Однако процесс сварки тоже требует особого внимания, т.к.
перегрев может повредить термопарную проволоку и газ, используемый для
сварки, может диффундировать в проволоку. Дефектная сварка может
привести в разрыву спая при эксплуатации. В программном обеспечении,
используемом для считывания и обработки сигнала термопары всегда есть
специальный тест на разрыв спая.
2. Возникновение термоэлектрической неоднородности по длине
термоэлектродов и изменение градуировочной характеристики
термопары;
Это наиболее серьезный и трудно диагностируемый источник погрешности,
т.к. результат отсчета ТЭДС может показаться вполне приемлемым и в то же
время быть ошибочным. Термоэлектрическая неоднородность может быть
результатом диффузии примесей из окружающей атмосферы при высоких
температурах, высокотемпературным отжигом или механической обработкой
электродов. Она может образоваться в результате протягивания электродов,
неосторожного обращения, ударов и вибраций, вызывающих напряжения в
проволоке.
3. Электрическое шунтирование проводников изоляцией и возможное
возникновение гальванического эффекта;
- Сопротивление изоляции термоэлектродов уменьшается с повышением
температуры по экспоненциальному закону. При высокой температуре, в
отдельных случаях, этот эффект может привести к образованию так
называемого «виртуального» спая, т.е. фактического замыкания электродов в
средней точке термопары. Таким образом, термопара будет измерять
температуру не в области рабочего спая, а температуру в средней области.
При высоких температурах следует также очень тщательно подбирать
материал для изоляции, т.к. примеси и химические вещества изоляции могут
проникнуть в электроды и изменить их свойства.
- Гальванический эффект - возникновение контактной разности потенциалов,
которая появляется при соединении двух проводников, изготовленных из
любых разных металлов. Красящие вещества, применяемые в некоторых
видах изоляции, могут вызвать образование электролита при попадании
воды. Это может привести в гальваническому эффекту, который по силе
превышает эффект Зеебека.
4. Электрические шумы и утечки.
Рекомендации по работе с термопарами
Целостность и точность измерительной системы, включающей
термопарный датчик, может быть повышена с помощью следующих мер:
- Использовать проволоки большого диаметра, которая, однако, не будет
изменять температуру объекта измерения;
- Если необходимо использовать миниатюрную термопару из очень тонкой
проволоки, следует использовать ее только в месте измерения, вне объекта
следует использовать удлинительные провода;
- Избегать механических натяжений и вибраций термопарной проволоки;
- Если необходимо использовать очень длинные термопары и удлинительные
провода следует соединить экран повода с экраном вольтметра и тщательно
перекручивать выводы;
- Избегать резких температурных градиентов по длине термопары;
- Использовать термопару только в пределах рабочих температур,
желательно с запасом;
- Использовать подходящий материал защитного чехла при работе во
вредных условиях, чтобы обеспечить надежную защиты термопарной
проволоки;
- Использовать удлинительные провода в их
рабочем диапазоне и при минимальных
градиентах температур;
- Вести электронную запись всех событий и
непрерывно
контролировать
сопротивление
термоэлектродов;
- Для дополнительного контроля и диагностики
измерений температуры применяют специальные
термопары с четырьмя термоэлектродами,
которые позволяют проводить дополнительные измерения температуры,
электрических помех, напряжения и сопротивления для контроля
целостности и надежности термопар
Электрические термометры сопротивления
1 — каркас,
2 — обмотка,
3 —выводы,
4 — изоляция
Приборы или устройства, служащие для
измерения
температур
и
состоящие
из
электроизмерительного прибора с подключенным к
нему термометром сопротивления, называются
электрическими
термометрами
сопротивления.
Электрические термометры широко применяются в
промышленности для измерения температур в
пределах от - 260 до 750 0С.
Принцип
действия
термометров
сопротивления основан на свойстве веществ менять
свое электрическое сопротивление при изменении
температуры.
Как
показывает
практика,
большинство чистых металлов при нагреве на 1 0С
увеличивает свое сопротивление в среднем на 0,40,6 %, а окислы металлов (полупроводники) и
водные растворы солей и кислот при нагревании, наоборот, уменьшают свое
сопротивление. Причем изменение сопротивления полупроводников от
температуры происходит в 5-10 больше, чем у чистых металлов.
В термометрах сопротивления используется
свойство проводниковых материалов изменять
электрическое сопротивление при нагревании или
охлаждении. Чтобы судить о температуре,
измеряемой
термометром
сопротивления,
необходимо непрерывно измерять его электрическое
сопротивление каким-либо прибором. Термометр
сопротивления имеет очень простую конструкцию и
представляет собой отрезок металлической проволоки или ленты,
намотанной на каркас из изоляционного материала Проводниковые
материалы, которые используют для изготовления термометров
сопротивления, должны удовлетворять следующим требованиям: обладать
возможно большим и стабильным температурным коэффициентом
сопротивления, химической устойчивостью при нагревании, производиться в
необходимых количествах с одинаковыми свойствами. Наибольшее
распространение для изготовления термометров сопротивления получили
химически чистые металлы: платина и медь.
Реже применяют никель и железо. Наилучшим материалом является
платина, из которой изготовляют не только технические, но также
образцовые и эталонные термометры сопротивления. Медь как материал для
изготовления термометров сопротивления уступает платине. Она обладает
малым удельным сопротивлением и окисляется при высоких температурах. В
то же время медь относительно дешевле, ее легко получить в химически
чистом виде и несложно делать из нее проволоку любых диаметров.
Температурный коэффициент меди также достаточно стабилен. Медные
термометры сопротивления применяют в диапазоне температур от —50 до
+180° С. Как платиновые, так и медные термометры сопротивления
отечественного производства выпускаются со строго определенными
значениями сопротивлений, обеспечивающими их взаимозаменяемость.
Конструкция чувствительных элементов (ЧЭ)
1. Самая распространенная конструкция – так называемая «свободная
от напряжения спираль» (Strain-free). Эта конструкция выпускается многими
российскими предприятиями и считается самой надежной. Вариации
основного дизайна заключаются в размерах деталей и материалах,
используемых для герметизации корпуса чувствительного элемента (ЧЭ).
Для различных диапазонов температур используются разные виды глазури.
Эта конструкция ЧЭ также очень
распространена
за
рубежом.
ЧЭ
представляет
собой
платиновую
спираль, четыре отрезка которой
укладываются в каналы трубки из
оксида
алюминия
и
засыпаются
мелкодисперсным порошком из оксида
алюминия высокой чистоты. Таким
образом,
обеспечивается
изоляция
витков спирали друг от друга,
амортизация спирали при термическом расширении и вибропрочность.
Герметизация концов ЧЭ проводится с помощью цемента, приготовленного
на основе оксида алюминия, или специальной глазури.
2. Пленочный ЧЭ изготавливается нанесением тонкого слоя платины
на керамическую подложку. Обычно слой имеет толщину порядка 10-8 см.
Слой платины сверху покрывается эпоксидным или
стеклянным изоляционным слоем. Технология
изготовления освоена многими зарубежными
фирмами, в настоящее время пленочный
платиновый ЧЭ – это самый дешевый и самый
широко
продаваемый
сенсор.
Большим
преимуществом является малый размер и масса ЧЭ,
это позволяет устанавливать такие ЧЭ в
миниатюрные корпуса и получать быструю скорость реагирования на
изменение температуры объекта. Благодаря малым размерам, пленочные ЧЭ
могут изготавливаться с повышенным номинальным сопротивлением. Уже
разработаны и производятся ЧЭ с сопротивлением 1000 Ом. Это позволяет
значительно снизить влияние сопротивления выводов при подключении по 2х проводной схеме. По стабильности пленочные ЧЭ все еще уступают
проволочным, но их технология постоянно совершенствуется, и в последнее
время отчетливо наблюдается прогресс в повышении стабильности
сопротивления ЧЭ и расширении температурного диапазона.
Зависимость
сопротивления
от
температуры
определяется
градуировочной характеристикой.
Конструктивное оформление термометров сопротивления зависит от
назначения и диапазона измеряемой температуры. Платиновые термометры
изготовляют из неизолированной платиновой проволоки диаметром 0,05—
0,07 мм. Вводы делают из серебряной проволоки. Слюда, кварц и фарфор
служат материалами для каркаса, они способны выдерживать высокую
температуру и обладают высокими электроизоляционными свойствами.
Медные термометры изготовляют из медной изолированной проволоки
диаметром 0,2 мм и меньше. Проволоку наматывают бифилярно на
пластмассовый каркас в несколько рядов. Медь имеет значительно меньшее
удельное сопротивление, чем платина. Для обеспечения необходимой
точности измерения требуется большая длина провода. Выводы у медного
термометра изготовляют из медной луженой проволоки диаметром 1,2—1,5
мм. Термометры сопротивления помещают в защитную арматуру в виде
металлической трубки с заваренным дном
Конструкцию арматуры, толщину и материал защитных чехлов подбирают в
соответствии с условиями эксплуатации термометров. Вторичными
приборами для термометров сопротивления служат мосты и логометры.
В простейшей двухпроводной схеме влияние сопротивления
подводящих проводов не устраняется. Напряжение измеряется не только на
ЧЭ, но и на соединительных проводах. При этом нужно иметь в виду, что
сопротивление соединительных проводов проявляет
себя двумя способами. Во-первых, изменяется
эквивалентное
сопротивление
датчика,
что
приводит к смещению в измерении температуры.
Во-вторых,
сопротивление
соединительных
проводов само по себе зависит от температуры
окружающей среды. Иногда смещение температуры
пытаются скорректировать во вторичном приборе, однако этот подход
неэффективен, так как температура окружающей среды меняется.
Двухпроводная схема может быть использована в случае, если
сопротивлением подводящих проводов (r1,r2) можно пренебречь по
сравнению Rt.
Трёхпроводная схема подключения термосопротивлений
Влияние сопротивления соединительных
проводов в трехпроводной схеме устраняется
путем компенсации. Компенсация возможна,
если соединительные провода одинаковы. В
этом случае появляется возможность выделит
ь отдельно напряжение на соединительных
проводах и скомпенсировать его. Равенство
сопротивлений соединительных проводов и их
температурных зависимостей
является основным условием применимости трехпроводной схемы.
Четырёхпроводная схема подключения термосопротивлений
В четырехпроводной схеме питание ЧЭ током
возбуждения производится с помощью одних проводов, а
измерение разности потенциалов на ЧЭ – с помощью
других. Если измерение напряжения производится
высокоомным вольтметром (ток через r2 и r3 не течет), то
влияние сопротивления всех проводов полностью
исключается. Следует учесть, что если измерительный
прибор рассчитан на четырехпроводную схему, то датчик
к нему можно подключить и по двухпроводной схеме. При этом
дополнительная
погрешность
измерения,
вызванная
влиянием
соединительных проводов, будет иметь величину порядка (r2+r3)/ Rt.
Схемы подключения и измерительный ток
Существует большое количество измерительных мостов и потенциометров,
работающих в комплекте с термометрами сопротивления. Причем
отечественные приборы не уступают, а иногда превосходят по качеству
импортные установки. Термометры сопротивления могут подключаться к
измерительной установке по двух-, трех-, и четырех-проводной схемам.
Причем для ТС классов АА и А двух-проводная схема не допустима, т.к. в
данном случае, сопротивление подводящих проводов включается в полное
измеренное сопротивление термометра и приводит к значительному
снижению точности измерения, даже если номинальное сопротивление
выводов приведено в документации и учитывается в расчетах.
Выбор измерительного тока также влияет на точность измерения
температуры. Поскольку ЧЭ изготовлен из очень тонкой проволоки или
пленки, даже малый ток может вызвать существенный нагрев ЧЭ. Во
избежание значительного увеличения погрешности из-за нагрева ЧЭ
измерительным током для 100-омных ТС рекомендуется использовать токи 1
мА и ниже. В этом случае погрешность не превысит 0,1 °С. Для снижения
эффекта нагрева ЧЭ иногда используется импульсный измерительный ток.
Тепловой контакт с объектом
Необходимо всегда учитывать, что термометр фактически регистрирует
температуру его собственного чувствительного элемента, а не температуру
среды или объекта в которую он погружен. То, на сколько температура ЧЭ
близка к измеряемой температуре объекта зависит от суммарного теплового
сопротивления между ЧЭ и объектом. Монтаж термометра в измерительный
канал осуществляется, как правило, с помощью прижимающей пружины,
канал иногда заполняется теплопроводящим материалом. Если контакт с
объектом нарушен, то это может привести к ложным значениям
регистрируемой температуры. Для проверки теплового контакта разработаны
специальные методики, наиболее распространенная из которых
исследование времени реагирования ТС на импульсный нагрев током.
–
Сборка термометра сопротивления
Предпочтительный способ для соединения выводов ЧЭ и внутренних
проводов термометра – сварка. Это предотвращает загрязнение выводных
проводников другими металлами, возникающее при пайке, что может
привести к возникновению паразитной ТЭДС. Внутренние выводы
изготавливают обычно из меди, никеля, константана, меди с никелевым
покрытием, меди со стальным покрытием и других металлов и сплавов.
Выводы изолируют трубками из оксида алюминия, стекловолоконными
трубками или пластиковыми трубками, если позволяет рабочая температура
ТС.
Терморезистор — полупроводниковый резистор, в котором
используется
зависимость
электрического
сопротивления
полупроводникового материала от температуры.
Для терморезистора характерны большой температурный коэффициент
сопротивления (ТКС) (в десятки раз превышающий этот коэффициент у
металлов), простота устройства, способность работать в различных
климатических условиях при значительных механических нагрузках,
относительно невысокая долговременная стабильность характеристик.
Терморезистор изготавливают в виде стержней, трубок, дисков, шайб,
бусинок и тонких пластинок преимущественно методами порошковой
металлургии. Их размеры могут варьироваться в пределах от 1–10 мкм до 1–2
см.
Основными параметрами терморезистора являются:
номинальное сопротивление, температурный коэффициент
сопротивления, интервал рабочих температур, максимально
допустимая мощность рассеяния.
Терморезистор был изобретён Самюэлем Рубеном (Samuel
Ruben) в 1930 году.[2]
Различают терморезисторы с отрицательным (термисторы) и
положительным
(позисторы)
ТКС.
Их
ещё
называют
NTCтермисторы(Negative temperature coefficient) и PTC-термисторы (Positive
temperature coefficient) соответственно. У позисторов с ростом температуры
растет и сопротивление, а у термисторов —- наоборот: при увеличении
температуры сопротивление падает.
Терморезисторы с отрицательным ТКС изготовляют из смеси
поликристаллических оксидов переходных металлов (например, MnO, СoO?,
NiO, CuO), легированных Ge и Si, полупроводников типа AIII BV,
стеклообразных полупроводников и других материалов.
Различают терморезисторы низкотемпературные (рассчитанные на работу
при температуpax ниже 100ОС), среднетемпературные (-100+250 ОС) и
высокотемпературные (выше 250 ОС). Кроме того, существуют
терморезисторы, предназначенные для работы при 4,2 К и ниже и при 600–
1000 ОС. Наиболее широко используются среднетемпературные
терморезисторы с ТКС от −2,4 до −8,4 %/К и номинальным сопротивлением
1–106 Ом.
Режим работы терморезисторов зависит от того, на каком участке
статической вольт-амперной характеристики (ВАХ) выбрана рабочая точка.
В свою очередь ВАХ зависит как от конструкции, размеров и основных
параметров терморезистора, так и от температуры, теплопроводности
окружающей среды, тепловой связи между терморезистором и средой.
Терморезисторы с рабочей точкой на начальном (линейном) участке ВАХ
используются для измерения и контроля температуры и компенсации
температурных изменений параметров электрических цепей и электронных
приборов. Терморезисторы с рабочей точкой на нисходящем участке ВАХ (с
отрицательным сопротивлением) применяются в качестве пусковых реле,
реле времени, измерителей мощности электромагнитного излучения на СВЧ,
стабилизаторов температуры и напряжения. Режим работы терморезистора,
при котором рабочая точка находится также на ниспадающем участке ВАХ
(при этом используется зависимость сопротивления терморезистора от
температуры и теплопроводности окружающей среды), характерен для
терморезисторов, применяемых в системах теплового контроля и пожарной
сигнализации, регулирования уровня жидких и сыпучих сред; действие таких
терморезисторов основано на возникновении релейного эффекта в цепи с
терморезистором при изменении температуры окружающей среды или
условий теплообмена терморезистора со средой.
Изготовляются также терморезисторы специальной конструкции — с
косвенным подогревом. В таких терморезисторах имеется подогревная
обмотка, изолированная от полупроводникового резистивного элемента (если
при этом мощность, выделяющаяся в резистивном элементе, мала, то
тепловой режим терморезистора определяется температурой подогревателя,
то есть током в нём). Таким образом, появляется возможность изменять
состояние терморезистора, не меняя ток через него. Такой терморезистор
используется в качестве переменного резистора, управляемого электрически
на расстоянии.
Из терморезисторов с положительным температурным коэффициентом
наибольший интерес представляют терморезисторы, изготовленные из
твёрдых растворов на основе BaTiO3. Такие терморезисторы обычно
называют позисторами. Известны терморезисторы с небольшим
положительным температурным коэффициентом (0,5–0,7 %/К), выполненные
на основе кремния с электронной проводимостью; их сопротивление
изменяется с температурой примерно по линейному закону. Такие
терморезисторы используются, например, для температурной стабилизации
электронных устройств на транзисторах.
Тип датчика
Параметр
Термистор
Эл. Сопротивление
Термометр сопротивления Термопара
Эл. сопротивление
Эл. напряжение
Преимущес 1. Высокая
тва
чувствительность R/t
2. Малая инерционность
3. Высокое сопротивление,
что устраняет
необходимость четырехпроводного включения
4.Малый размер
5.Низкая стоимость
6. Высокая стабильность
7. Хорошая
взаимозаменяемость
1. Хорошая линейность
характеристики
2. Высокая стабильность
3. Высокая
взаимозаменяемость в
широком диапазоне
температур
1. Широкий
температурный
диапазон
2. Простота
производства
3. Низкая стоимость
4.Износоустойчивость
5. Не требует
дополнительных
источников энергии
Недостатки 1. Нелинейная
характеристика
2. Рабочий диапазон
температур примерно от -60
до +300 °С
3. Взаимозаменяемость
только в узком диапазоне
температур
4. Необходим источник тока
1. Низкая
чувствительность
2. Относительно большая
инерционность
3. Необходимость трехили четырех-проводной
схемы включения
4. Чувствительность к
ударам и вибрациям
5. Необходим источник
тока Высокая стоимость
1. Нелинейная
характеристика
2. Относительно
низкая стабильность
3. Низкая
чувствительность
4. Измерение низких
ЭДС может
осложниться электромагнитными шумами
и наводками
5. Необходима
компенсация
холодных спаев
Автор
perspektiva.da
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
206
Размер файла
900 Кб
Теги
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа