close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Презентация: Измерение температуры

код для вставки
ИЗМЕРЕНИЕ
ТЕМПЕРАТУРЫ
Температура – условная статистическая величина, прямо
пропорциональная средней кинетической энергии частиц вещества
(молекул или атомов), так как согласно кинетической теории,
температуру определяют как меру кинетической энергии
поступательного движения молекул.
где Е – кинетическая энергия поступательного движения молекул,
k – постоянная Больцмана,
Т – температура газа.
Измерение температуры на практике возможно лишь методом
сравнения нагретости двух тел, причем степень нагретости одного
из них предполагается известной. Для этого используют изменение,
какого–либо физического свойства вещества, зависящего от
температуры и легко поддающегося измерению, т.е. измерение
температуры производится косвенным методом.
2
В природе не существует жидкостей со строго линейной
зависимостью между объемным расширением и температурой,
поэтому показания термометров зависят от природы
термометрического вещества (ртути, спирта и т.д.), а так же от
условий измерений (Р=760 мм рт. ст., g=9,80665 м/с2)
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:
3
В настоящее время человечество способно измерять
температуру от 0,01 К до 100000 К (от –273,15 °С до
99726,85 °С).
Значения температуры между постоянными точками
МШТ-90 получают по интерполяционным уравнениям, а
измерения производят с помощью эталонных приборов.
В качестве эталонных приборов для реализации МШТ90 в диапазоне от –259,23 °С до 630,74 °С используется
платиновый термопреобразователь сопротивления, в
диапазоне от 630,74 °С до 1064,43 °С используется
платинородий-платиновый термо-электрический
преобразователь, в диапазоне от 1064,43°С до 6026,85
°С используется квазимонохроматический пирометр.
4
5
Термометр – устройство, предназначенное для
измерения температуры путем преобразования ее в
показания или в сигнал, который в свою очередь
является известной функцией температуры.
Чувствительным элементом термометра называется его
часть, которая преобразует тепловую энергию в другой
вид энергии для получения информации о температуре.
Различают два вида термометров.
Контактные – это термометры, чувствительный
элемент которых входит в непосредственное
соприкосновение с измеряемой средой и
бесконтактные, чувствительный элемент которых не
имеет непосредственного соприкосновения с
измеряемой средой. Такие термометры называют
пирометрами.
6
ТЕРМОМЕТРЫ, РАБОТАЮЩИЕ НА ПРИНЦИПАХ РАСШИРЕНИЯ И
ИЗМЕНЕНИЯ
ДАВЛЕНИЯ РАБОЧЕГО ВЕЩЕСТВА
1. ТЕРМОМЕТРЫ СТЕКЛЯННЫЕ ЖИДКОСТНЫЕ
7
Ртуть не смачивает стекло, практически не
окисляется, легко получается в химически чистом виде,
имеет значительный интервал между точкой плавления
(–38,86 °С) и точкой кипения (356,6 °С). Верхний предел
ртутных термометров можно расширять для технических термометров до 500 °С, для образцовых
термометров до 600 °С. Это возможно за счет
заполнения верхней части капилляра инертным газом
под давлением до 2 МПа.
Заводы выпускают следующие разновидности
термометров:
– технические ртутные со вложенной шкалой; при
погружении в измеряемую среду нижней части
термометра, прямые и угловые (90° и 135°) со шкалами
–35÷50°С и 0÷50, 100, 150,…,500°С; с ценой деления до
50°С – 0,5°С и 1°С, постепенно возрастающей до 5°С и 8
10°С;
Предел допускаемой основной абсолютной
погрешности технического термометра не должен
превышать цены деления шкалы. Например, для
термометра с ценой деления 1°С с диапазоном
измерения 0÷100 °С предел допускаемой основной
абсолютной погрешности равен Δд = ± 1°С.
Для остальных ЖСТ допускаемые погрешности при
одной и той же цене деления устанавливаются
различными для различных температурных интервалов.
Например: при цене деления 0,1°С для интервала
температур 0÷50°С предел допускаемой основной
абсолютной погрешности равен Δд = ± 0,2°С, а для
интервала температур 250÷300°С при той же цене
деления Δд = ± 0,8°С.
9
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
10
охлаждении ниже −19 градусов.
1. ТЕРМОМЕТРЫ СТЕКЛЯННЫЕ ЖИДКОСТНЫЕ
11
2. 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.
где Lt, L0 –длина тела при рабочей и
начальной температурах,
соответственно;
α – средний коэффициент линейного
расширения твердого тела, 0С-1.
12
2. БИМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ
ТЕРМОМЕТРЫ
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.
13
2. БИМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ
14
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
15
расширения и практически не расширяется в интервале
температур от −100 до +100 °C.
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. При
высоких температурах до 600 °С погрешность может
достигать 10 °С. Класс точности 1,5; 2,5.
16
3. МАНОМЕТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ
1 – термобаллон;
2 – капилляра;
3 - манометрическая
пружина;
4 – держатель;
5 – поводок;
6 – сектор;
7 – трибка;
8 - указательная стрелка;
9 - спиральный волосок;
10 - биметаллический
термокомпенсатор.
17
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 конденсационные(парожидкостные).
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%.
18
Газовые манометрические термометры
позволяют измерять температуру в интервале –200÷600
°С. Термометрическое вещество – азот или гелий,
длина капилляра(0,15÷0,5 мм) до 60м.
Для ликвидации влияния атмосферного давления на
показания манометрического термометра и увеличения
рабочего давления, термосистему заполняют под
некоторым начальным давлением Рн, значение
которого зависит от диапазона измерения. Например,
для манометрического термометра с диапазоном
измерения 0÷100 Рн = 3,8 Мпа, а с диапазоном
измерения 0÷600 °С Рн = 1,5 МПа. Для понижения
температурной погрешности (от влияния температуры
окружающей среды) устанавливается
термокомпенсатор. Типы газовых манометрических
термометров: ТГП – термометр газовый показывающий;
19
ТГС – термометр газовый сигнализирующий.
Класс точности К = 1; 1,5.
ТГП – 100Эк
ТГС – 712М
20
Жидкостные манометрические термометры
позволяют измерить температуру в интервале
–150÷300 °С. Рабочее вещество – спирт пропиловый,
метаксилол. При нагреве термобаллона жидкость
начинает расширяться и термобалон увеличивает свой
объем.
Для предохранения жидкости от закипания в
термосистеме обеспечивается начальное давление
порядка 1,5÷2 МПа откуда следует, что и атмосферное
давление не влияет на показания жидкостных манометрических термометров.
Типы жидкостных манометрических термометров
ТЖП – термометр жидкостной показывающий;
ТЖС – термометр жидкостной сигнализирующий.
Классы точности К = 1; 1,5; 2,5.
21
Конденсационные манометрические термометры
позволяют измерить температуру в интервале
–50÷300 °С. Рабочее вещество – ацетон, фреон-22,
хлористый метил и другие низкокипящие жидкости.
Термобалон конденсационного манометрического
термометра на 2/3÷3/4 заполнен низкокипящей
жидкостью, над которой образуется пар.
Капилляр и манометрическая трубка заполнены этой же
жидкостью. Давление в термосистеме зависит от
давления пара в термобаллоне. Шкала
конденсационных манометрических термометров
неравномерная.
Типы конденсационных манометрических термометров
ТКП – термометр конденсационный показывающий;
ТКП 100Сг – термометр конденсационный
показывающий и сигнализирующий.
22
Классы точности К = 1,5; 2,5; 4.
ТКП – 100Эк
ТКП – 100Сг
23
Термоэлектрический преобразователь (ТЭП) – это
первичный измерительный преобразователь
температуры, в котором выходная величина формируется
под воздействием термоэлектрического эффекта.
Чувствительным элементом ТЭП является термопара,
которая представляет собой термоэлектрическую цепь,
состоящую из двух спаянных между собой разнородных
проводника. Диапазон от - 200 до 2500 0С. (вольфрамрениевые термопары)
Принцип действия термопары основан Эффекте
Зеебека (немецкий физик 19в.в.): при нагревании места
соединения (спая) в нем возникает термоэлектродвижущая сила, величина которой
однозначно зависит от температуры нагрева.
Термоэлектрический эффект объясняется
наличием в металлах свободных электродов,
24
число которых в единице объема,
для разных металлов различно.
4. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ТЕМПЕРАТУРЫ
25
4. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ТЕМПЕРАТУРЫ
1 — горячий спай;
2 и 3 — термоэлектроды;
4 — холодные спаи
(свободные концы);
5 — компенсационные
провода;
6 — гальванометр;
7 —трубопровод с
измеряемой средой;
8 —защитная гильза.
26
Почти любое сочетание двух разных металлов дает
термоэлектродвижущую силу при нагреве места
соединения, однако для практических целей пригодны
лишь немногие сочетания, поэтому современная техника
предъявляет к материалам термоэлектродов следующие
требования:
– устойчивость к воздействиям высоких температур;
– постоянство ТЭДС во времени;
– должна быть возможна большая величина ТЭДС;
– линейная и однозначная зависимость ТЭДС от
температуры;
– небольшой температурный коэффициент и
электрическое сопротивление, большая
теплопроводность;
– воспроизводимость термоэлектрических свойств,
обеспечивающих взаимозаменяемость термопар;
27
- возможность протяжки металла в проволоку.
28
4. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ТЕМПЕРАТУРЫ
29
30
31
4. КОНСТРУКЦИЯ ТЭП
1 – Термоэлектроды;
2 - защитный металлический чехол
(нержавеющая сталь);
3 - керамические или фарфоровые
двухканальные трубки;
4 - рабочий конец ТЭП;
5 - фарфоровый наконечник;
6 - пластмассовая голова;
7 - клеммы (соединение
компенсационными
(термоэлектродными) проводами с
измерительным прибором).
Для агрессивных сред для изготовления
защитных чехлов применяется
металлокерамика или стальные трубки,
покрытые слоем тугоплавкой эмали. Все
свободное пространство в защитном чехле
заполняется порошком MgO или Al2O3 для
лучшей теплопроводности и изоляции, а
верхнее отверстие чела заливается
компаундом.
32
4. КОНСТРУКЦИЯ ТЭП
По способу контакта с измеряемой средой ТЭП могут быть
поверхностными и погружаемыми. Длина ТЭП находится в
интервале от 60 мм до 3,2 м. Диаметр ТЭП 0,5 мм ÷ 20 мм.
Конструктивное оформление ТЭП разнообразно и зависит от
условий их применения. Независимо от конструкции ТЭП должны
удовлетворять следующим требованиям:
– изоляция термоэлектродов должна исключать возможность
короткого замыкания и электрических утечек;
– термоэлектроды должны быть защищены от механических
повреждений и химических воздействий измеряемой среды;
– ТЭП должны иметь в целом механически прочную конструкцию,
удобную для монтажа.
Для увеличения результирующей ТЭДС применяется последовательное включение нескольких термопар в термобатарею. Схема
термобатареи
33
4. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ТЕМПЕРАТУРЫ
Армированная термопара:
1— горячий спай,
2 — жароупорный наконечник,
3 — металлический чехол,
4 — фарфоровые изоляторы,
5 — головка термопары с
выходными зажимами
34
4. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ТЕМПЕРАТУРЫ
35
4. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ТЕМПЕРАТУРЫ
36
Техника компенсации холодного спая
4. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ТЕМПЕРАТУРЫ
37
Техника компенсации холодного спая
Рекомендации по работе с термопарами:
- Использовать проволоки большого диаметра, которая, однако, не
будет изменять температуру объекта измерения;
- 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;
- По-возможности 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
38
контролировать сопротивление термоэлектродов;
5. ТЕРМОМЕТРЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ
Защитные гильзы
39
5. ТЕРМОМЕТРЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ
-это первичный измерительный преобразователь температуры,
принцип действия которого основан на свойстве веществ менять
свое электрическое сопротивление при изменении
температуры.
Электрические термометры широко применяются в промышленности
для измерения температур в пределах от - 260 до 750 0С.
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.
40
5. ТЕРМОМЕТРЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ
1 — каркас,
2 — обмотка,
3 —выводы,
4 — изоляция
41
5. ТЕРМОМЕТРЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ
Конструкции чувствительных элементов
Проволочная конструкция
Пленочная конструкция
42
5. ТЕРМОМЕТРЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ
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.
43
5. ТЕРМОМЕТРЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ
Изменение сопротивления металлов от температуры
Температурный коэффициент металлов
определяется для интервала
температур 0 – 100 0С в соответствии с
выражением
44
5. ТЕРМОМЕТРЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ
45
5. ТЕРМОМЕТРЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ
Градуировочная таблица
Для платиновых термометров Pt100 W100=1,3850 (R0=100,0 Ом).
R100=R0*W100=100(Ом)*1,3850=138,50(Ом)
ТСП 100П W100=1,3910
α=0,00391 по ГОСТ Р 8.625—2006
46
5. ТЕРМОМЕТРЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ
47
5. ТЕРМОМЕТРЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ
48
5. ТЕРМОМЕТРЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ
Дополнительная погрешность:
r1+r2/Rt
49
5. ТЕРМОМЕТРЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ
Дополнительная погрешность:
∆r/Rt, где
∆r – разность сопротивлений соединительных проводов
50
5. ТЕРМОМЕТРЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ
Дополнительная погрешность:
r2+r3/Rвх, где
Rвх - входное сопротивление вольтметра
51
5. ТЕРМОМЕТРЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ
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).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.
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 52
наоборот: при увеличении температуры сопротивление падает.
5. ТЕРМОМЕТРЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ
53
Тип датчика
Термистор
Термометр сопротивления
Термопара
ПАРАМЕТР
Эл. Сопротивление
ПРЕИМУЩ 1. Высокая чувствительность R/t
ЕСТВА
2. Малая инерционность
3. Высокое сопротивление, что
устраняет необходимость
четырех-проводного включения
4. Малый размер
5. Низкая стоимость
6. Высокая стабильность
7. Хорошая взаимозаменяемость
Эл. сопротивление
1. Хорошая линейность
характеристики
2. Высокая стабильность
3. Высокая
взаимозаменяемость в
широком диапазоне
температур
Эл. напряжение
1. Широкий
температурный диапазон
2. Простота
производства
3. Низкая стоимость
4. Износоустойчивость
5. Не требует
дополнительных
источников энергии
НЕДОСТАТ 1. Нелинейная характеристика
КИ
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 трех- или
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
электро-магнитными
шумами и наводками
5. Необходима
компенсация холодных
54
спаев
ЦИФРОВЫЕ ДАТЧИКИ
55
ЦИФРОВЫЕ ДАТЧИКИ
56
Автор
perspektiva.da
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
225
Размер файла
2 691 Кб
Теги
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа