Средства измерения температуры среды испытательной камеры

Температура газа (воздуха) в испытательных камерах измеряется с помощью термоизмерительных преобразователей (т.е. датчиков температуры) которые обычно называют термопреобразователями или термометрами. Она характеризует как качественную, так и количественную сторону процесса теплообмена. Непосредственно измерить температуру воздуха нельзя, но можно определить ее значение по однозначному изменению некоторых физических параметров тела. Такими параметрами, зависящими от температуры, являются, например, объем, длина, электрическое сопротивление, термоэлектродвижущая сила, энергетическая яркость излучения и др.

Термопреобразователи предназначены для выработки сигнала в форме, удобной для восприятия наблюдателем, автоматической обработки, передачи и использования в автоматических системах управления.

Термопреобразователи классифицируются по ряду признаков.

1. По физическому явлению, положенному в основу принципа действия, различают:

· термометры расширения,

· термометры сопротивления,

· термоэлектрические термометры,

· пирометры и т.д.

2. По связи с объектом измерения термопреобразователи могут быть контактными и бесконтактными.

3. По классу точности термопреобразователи определяются пределами допустимых основных и дополнительных погрешностей, а также другими влияющими на точность измерения свойствами, значения которых устанавливаются специальными стандартами.

4. По инерционности различают три группы термопреобразователей (См. таблицу 2.4-8.1.) характеризуемые различными значениями показателя тепловой инерции.

Показателем тепловой инерции называют время, необходимое для того, чтобы при внесении термопреобразователя в среду с постоянной температурой, разность температуры среды и любой точки термопреобразователя составила 0, 37 температуры, которую имела среда в момент наступления регулярного теплового режима. Показатель тепловой инерции термопреобразователя зависит от физического явления положенного в основу его принципа действия и определяется при коэффициенте теплоотдачи равном бесконечности.

5. По способу применения различают:

· погружаемые,

· поверхностные и

· комнатные термопреобразователи.

Погружаемые термопреобразователи сопротивления – предназначены для измерения температуры газообразных или жидких химически агрессивных и неагрессивных сред, которые не разрушают защитную арматуру термопреобразователей.

Поверхностные термопреобразователи предназначены для измерения температуры поверхности различных изделий.

6. По условиям использования термопреобразователи могут быть:

· стационарными и

· переносными.

7. По конструктивным признакам термопреобразователи могут различаться:

· по степени защищенности от воздействия внешней среды (обыкновенное и взрывобезопасное исполнение);

· по герметичности и по отношению к измеряемой среде (обыкновенные и герметичные);

· по устойчивости к механическим воздействиям (обыкновенные, виброустойчивые и ударопрочные);

· по условиям эксплуатации (в нормальных, тропических или в других условиях).

В испытательных камерах иногда еще находят применение жидкостные термометры расширения, принцип действия которых основан на расширении термометрической жидкости заключенной в термометре, при повышении температуры. Среди получивших распространение термометрических жидкостей наиболее широко используется химически чистая ртуть, характеризующаяся следующими преимуществами – не смачивает стекло, остается жидкостью в широком интервале температур. Недостатками ртутных термометров являются:

· ограниченный нижний предел измерения —35^оС (температура затвердения ртути);

· малый температурный коэффициент объемного расширения, требующий изготовления термометров с тонкими капиллярами.

В испытательных камерах находят применение ртутные электроконтактные термометры , особенностью которых является наличие в капилляре подвижного рабочего контакта, перемещаемого с помощью магнитной головки по винту. Температура задается установкой подвижного контакта по шкале термометра на определенный уровень. При достижении заданной температуры ртуть поднимается по капилляру и замыкает электрическую цепь регулятора температуры коммутирующего энергетические агрегаты. В испытательных камерах применяют термометры с подвижным рабочим контактом типа ТПК позволяющие стабилизировать тепловой режим на любом температурном уровне в пределах шкалы термометра. Диапазон измеряемых температур – 30 …+300^оС. Допускаемые погрешности технических термометров не должны превышать цену деления шкалы. Например, при цене деления 0, 5^оС предел допускаемой погрешности составляет +0, 5^оС.

Для измерения температуры в испытательных камерах и в различных системах терморегулирования широкое применение находят термосопротивления (терморезисторы). Измерение температуры в этом случае основано на зависимости сопротивления проводников и полупроводников от температуры.

Проводниковые терморезисторы характеризуются:

· высокой стабильностью температурного коэффициента сопротивления ( ТКС ),

· линейной зависимостью сопротивления от температуры,

· хорошей воспроизводимостью свойств,

· инертностью к воздействиям окружающей среды.

Проводниковые терморезисторы изготовляют из меди, платины, а также из вольфрама и никеля.

Сопротивление медных проводников в диапазоне температур – 50…+180^оС определяется по формуле

, (2.4-8.50.)

где α = 4, 26*10 ^{– З}K; R ₀ – сопротивление при 0^оС, T ₁ – заданное значение температуры.

Сопротивление платиновых проводников в диапазоне температур 0…+650^оС определяется по формуле

, (2.4-8.51.)

где R ₀ – сопротивление при 0 ^о С, А=3, 90784∙ 10 ^–3 К ^–1, В=5, 7841∙ 10 ^–7 К –², T ₁ – заданное значение температуры.

Основой проводниковых термопреобразователей сопротивлений являются термометрические чувствительные элементы ( ТЧЭ ). Элементы сопротивления изготовляют из платиновой проволоки диаметром 0, 05…0, 07 мм (тип ЭСП ) и из медной проволоки диаметром 0, 07…0, 08 мм (тип ЭСМ ).

Необходимость измерения сверхнизких температур приводит к применению платины высокой чистоты. Термопреобразователи использующие проводники из указанного материала позволяют измерять температуры до – 260 ^о С.

Промышленные термометры сопротивления бывают двух типов платиновые ( ТСП ) и медные ( ТСМ ). В таблице 2.4-8.2. приведены данные по некоторым термометрам сопротивления.

Точность термометров сопротивления характеризуется несколькими классами, оцениваемыми допустимым отклонением сопротивления Δ R_ω по отношению к сопротивлению при 0^оС (См. таблицу 2.4-8.3.).

В соответствии со способом применения для измерения температуры поверхности осуществляют «плоскую» конструкцию ТЧЭ поверхностного типа, представляющую собой обмотку из платиновой проволоки диаметром 0, 05 мм покрытую винифлексовым лаком.

Выпускаются термопреобразователи сопротивления, предназначенные для измерения очень низких температур. Находят применение термопреобразователи из индия, германия, графита и угольные, позволяющие измерять температуру до – 273 ^о С.

Полупроводниковые терморезисторы (ПТР) отличаются от проводниковых следующими основными свойствами:

· большей чувствительностью к изменению температуры, ТКС полупроводниковых терморезисторов отрицателен и уменьшается обратно пропорционально квадрату абсолютной температуры: α = В/Т² ( ТКС составляет 3, 6 % на 1 ^о С, в то время как для проводниковых термометров ТКС равен, в среднем, 0, 4 %);

· наличием большого внутреннего сопротивления, что позволяет осуществлять дистанционные измерения;

· малыми габаритными размерами и инерционностью, дающими возможность использования их в труднодоступных местах;

· высокой механической прочностью,

· большим сроком службы и

· сравнительно низкой стоимостью.

Существенными недостатками полупроводниковых терморезисторов являются:

· нелинейность зависимости значения сопротивления от температуры (См. рисунок 2.4-8.16.),

· значительный разброс значений сопротивлений от образца к образцу и ряд других.

Сопротивление ПТР для любой температуры t можно определить из следующего соотношения:

(2.4-8.52.)

где B= t_2* t₁ /( t₂ – t₁)_*ln(R₁/R₂); R₁ и R2 – сопротивления при температурах t₁ и t_2.

В испытательных камерах и при непосредственных измерениях температуры находят применение термоэлектрические преобразователи. Термоэлектрические преобразователи основаны на явлении термоэлектричества, открытом в 1823 г. Зеебеком. Это явление заключается в том, что если составить цепь из двух различных проводников (или полупроводников) А и В, соединив их между собой концами (См. рисунок 2.4-8.17.а), то при условии, что температура t₁ одного места соединения отлична от температуры t₂ другого места соединения, в цепи потечет ток под действием ЭДС, называемой термоэлектродвижущей силой (термоЭДС).

Дальнейшее преобразование измерительной цепи, размыкание контура (См. рисунок 2.4-8.17.б), включение проводников и милливольтметра (рисунок 2.4-8.17.в)– позволяет определить значение термоЭДС:

(2.4-8.53.)

Полученная суммарная термоЭДС для данной пары проводников зависит только от значении абсолютных температур Т₁, и Т₂; и не зависит от длины и диаметра термоэлектродов, а также от их удельных электрических сопротивлений. Спай термопары, помещенный в среду с измеряемой температурой, называется рабочим концом ( горячим спаем ), а спай, температура которого поддерживается постоянной, свободным ( холодным спаем ).

ТермоЭДС, развиваемая термопарой, составляет 0, 01...0, 06 мВ·^оС, и для ее измерения пользуются милливольтметром или потенциометром, включаемым между свободными концами термопары либо в разрыве между частями одного из термоэлектродов. В первом случае (рисунок 2.4-8.17.б) у термопары будут три спая: один горячий с температурой t₁ и два холодных, которые должны иметь постоянную температуру t₂. Во втором случае (рисунок 2.4-8.17.в) будут четыре спая: один горячий с температурой t₁, один холодный с температурой t₂ и два нейтральных, имеющих одну температуру t_3.

Для измерения температуры среды необходимо, чтобы свободные концы (холодный спай) находились при постоянной температуре, что требует использования весьма длинных и гибких термоэлектродов термопар, обеспечивающих их размещение в удалении от рабочего (горячего) спая. В целях экономии благородных металлов используемых для изготовления термоэлектродов соединительные провода А₁, и В₁ (рисунок 2.4-8.18.) делают из другого металла. Эти провода, идущие от зажимов головки термопары к сосуду V, в котором поддерживается постоянная температура t_0, называются удлинительными термоэлектродами.

Однако удлинительные термоэлектроды должны быть термоэлектрически идентичны основной термопаре. Так, например, для термопары платинородий–платина применяют удлинительные термоэлектроды из меди и сплава ТП, образующих термоидентичную термопару. Далее их соединяют обычным проводом с измерительным прибором.

Очевидно, что пользоваться каким либо устройством для поддержания постоянства температуры – неудобно, поэтому термопары градуируют при температуре свободных концов, равной нулю. На практике температура свободных концов отличается от 0^оС на величину + t₀ и измеренная термоЭДС будет меньше реальной, что приводит к необходимости введения поправки в показания термометра. Пользуясь градировочной кривой (рисунок 2.4-8.19.) можно определить действительное значение температуры, для чего, по известному значению температуры свободных концов + t₀, находят соответствующее значение поправки термоЭДС Е_изм. Откладывают по оси абсцисс значение температуры t¹ измеренное термометром и находят по графику соответствующее ему значение термоЭДС Е_изм, к которому прибавляют ранее определенное значение поправки Δ A и определяют скорректированное значение температуры t. В ряде случаев поправка на температуру вводится автоматически за счет построения специальных мостовых схем измерения. В таблице 2.4-8.4. приведены данные по некоторым термопарам, соответствующим стандартам.

Для измерения температур ниже —50^оС находят применение специальные термопары, например медь – константан (до —270 ^о С). Для измерений температур с помощью выпускаемых промышленностью терморезисторов и термоэлектрических преобразователей в основном используются автоматические электронные мосты и потенциометры. Иногда находят применение милливольтметры.

В некоторых случаях возможно применение температурных индикаторов, принцип действия которых основан на химической реакции специальных покрытий, возникающей при температурном воздействии. Термоиндикаторы позволяют оценивать температуру по изменению яркости или цвета свечения. Таким образом, оказывается возможным быстро получить информацию о тепловом состоянии изделия. Преимуществами применения термоиндикаторов являются наглядное распределение температур на изделии, простота и экономичность. К основным недостаткам можно отнести невысокую точность и инерционность. Термоиндикаторы, использующие изменение цвета, могут быть обратимыми, т. е. многократно меняющими цвет, и необратимыми, обладающими свойствами запоминания температуры.

При современном миниатюрном исполнении некоторых узлов и радиоэлементов измерение их температуры с помощью контактных термопреобразователей оказывается не всегда возможным, так как присоединяемая к ним масса контактного термопреобразователя, обладающая определенной теплопроводностью, снижает их температуру. В таких случаях целесообразно использовать бесконтактные средства измерения температуры, к которым относятся приборы, принцип действия которых основан на регистрации теплового излучения. Эти средства получили название пирометров. В данном случае представляют интерес пирометры, обеспечивающие информацию о температуре в определенной точке изделия.

По принципу действия различают яркостные, радиационные и цветовые пирометры. Яркостные визуальные пирометры применяют для измерения яркостных температур. Их принцип действия основан на зависимости спектральной яркости нагретых тел от температуры, описываемой законами Планка и Вина. В приводимом в качестве примера яркостном пирометре испускаемые изделием и образцовой лампой инфракрасные (ИК) излучения преобразуются в видимое излучение с помощью электроннооптического преобразователя (ЭОП) (рисунок 2.4-8.20.). Изменяя ток накала лампы, добиваются совпадения яркости нити с исследуемым изделием (рисунок 2.4-8.20.г) и по ИК - измерению определяют его температуру. Яркость нити, большая яркости изделия, соответствует положению, показанному на рисунке 2.4-8.20.б, а яркость нити, меньшая яркости изделия, положению, показанному на рисунке 2.4-8.20.в. Применение светофильтров позволяет повысить точность измерения. Рассмотренный яркостный пирометр, предназначенный для измерения высоких температур (600...6000 С), в процессе испытаний не применим. Однако использование в указанном пирометре ЭОП позволяет измерять более низкие температуры (~ 200 °С).

Выпускаются ИК - приборы с цифровой индикацией, измеряющие температуры в диапазоне —30...+99, 9^оС или —30... +1400°С на расстоянии от 0, 1 до 0, 7 м с размерами теплового пятна диаметром до 7 мм.

Радиационные пирометры основаны на использовании закона Стефана— Больцмана, выражающего зависимость излучаемой изделием энергии от его температуры. Чувствительными элементами радиационных пирометров являются некоторые термопары и термисторные болометры. Иногда находят применение так называемые термобатареи (последовательно соединенные термопары).

Термисторным болометром называется прибор, предназначенный для измерений энергии излучения. Его принцип действия основан на изменении электрического сопротивления термочувствительного элемента при нагревании его за счет поглощения измеряемого потока излучения. Термочувствительный элемент представляет собой тонкий (0, 1...1 мкм) слой металла (никель, золото, висмут и др.), поверхность которого покрывается слоем черни, имеющим большой коэффициент поглощения в широкой полосе частот. Под действием потока радиации изменяется на некоторую величину Δ t температура чувствительного элемента, что вызывает соответствующее изменение сопротивления болометра, а, следовательно, и силы тока в его электрической цепи. В результате на нагрузочном сопротивлении возникает падение напряжения, которое и является мерой мощности излучаемого потока радиации. Радиационные пирометры на термисторных болометрах обеспечивают измерение температур в диапазоне -50...+100 ^о С.

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: