Измерение температуры термоэлектрическим и терморезистивным методами

Измерительные схемы всех автоматических потенциометров предусматривают автоматическое введение поправки на температуру холодных спаев термопары. С этой целью они выполняются в виде неуравновешенного моста [1].

Рассмотрим электрическую схему автоматической компенсации температуры холодных спаев температуры (рис. 4). Термопара включается последовательно с неуравновешенным мостом, три плеча которого (R1, R2 и R3) выполнены из манганина, а четвертое (R4) - медное. Схема питается из стабилизированного источника питания. Добавочное сопротивление Rd служит для подгонки подаваемого на мост напряжения до нужного значения.

При постоянном напряжении источника питания изменением сопротивления Rd можно настраивать мост для работы с термопарами различных градуировок. От термопары до компенсационного моста прокладываются термоэлектродные провода, от моста до измерительного прибора - медные.

При градуировочной температуре холодных спаев термопары мост находится в равновесии, и разность потенциалов на вершинах моста cd равна нулю. С изменением температуры холодных спаев меняется сопротивление R4, вследствии чего нарушается равновесие моста, и на его вершинах cd возникает разность потенциалов, которая должна быть равна по величине и противоположна по знаку изменению ТЭДС термопары, вызванному отклонением температуры ее холодных спаев от градуировочной [1].

 

в. Сущность нулевого (компенсационного) метода измерения ТЭДС

 

Схема потенциометра с постоянной силой тока в компенсационной цепи показана на рис. 5. В этой схеме три электрические цепи. В цепь источника тока (компенсационную) входит источник тока Е, регулировочное сопротивление Rb (реостата), постоянное сопротивление RНЭ и измерительное сопротивление RР с перемещающимся вдоль него контактом Д. Измерительное сопротивление в потенциометрах выполняется в виде калиброванной проволоки (реохорда), секционного сопротивления или в виде сочетаний того и другого [1].

В цепь нормального элемента входит нормальный элемент НЭ, сопротивление RНЭ и нулевой прибор НП. В цепь термопары входит термопара, нулевой прибор НП и часть измерительного сопротивления RP.

Нормальный элемент, предназначенный для контроля постоянства разности потенциалов между конечными точками реохорда, развивает вполне определенную постоянную во времени ЭДС. Обычно применяется ртутно-кадмиевый гальванический элемент Вестона, развивающий при температуре 200С ЭДС, равную 1,01830 В, и сохраняющий это значение при малых и кратковременных нагрузках в течение длительного времени. Пользуясь нормальным элементом, можно довольно точно установить постоянство разности потенциалов на концах реохорда. Для этой цели переключатель П переводят на контакт К, включая НП в цепь НЭ и одновременно разрывая цепь термопары.

Нормальный элемент присоединяется к концам сопротивления RНЭ и притом так, что его ЭДС оказывается направленной навстречу ЭДС источника тока Е. Регулируя ток в компенсационной цепи реостатом Rb, добиваются такого положения, при котором разность потенциалов на концах сопротивления становится равной ЭДС НЭ. При этом ток в цепи нормального элемента равен нулю, и стрелка НП устанавливается на нуле шкалы. В этом случае ток в компенсационной цепи:

   .

Для измерения ТЭДС термопары переключатель П переводят на контакт И, подключая тем самым термопару последовательно с НП к измерительному сопротивлению в точке b и скользящему контакту Д ТЭДС термопары тогда будет действовать в сторону, противоположную ЭДС источника тока Е.

Перемещая контакт Д, находят такое его положение, при котором разность потенциалов между точками b и Д измерительного сопротивления равна ТЭДС термопары; при этом ток к цепи термопары равен нулю (стрелка НП устанавливается на нуль шкалы). Тогда

.

Так как ЕНЭ и RНЭ постоянны, то определение ТЭДС термопары сводится к определению длины участка измерительного сопротивления RbД. Измерение ТЭДС компенсационным методом осуществляется при отсутствии тока в цепи термопары, поэтому сопротивление цепи (термопары, соединительных проводов, НП), а следовательно, и его зависимость от температуры не влияет на точность измерения. Это свойство является одним из существенных преимуществ компенсационного метода измерения.

г. Назначение всех элементов электронной функциональной схемы автоматического потенциометра

 

Измерительные схемы всех автоматических потенциометров предусматривают автоматическое введение поправки на температуру холодных спаев термопары. С этой целью они выполняются в форме неуравновешенного моста [1]. Все сопротивления измерительной схемы (рис. 6), кроме Rк, выполняются из манганина; сопротивление Rк - из меди или никеля.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Цепь источника тока составляют две ветви: рабочая, в которую включен реохорд Rp*, и вспомогательная, состоящая из двух сопротивлений (RНЭ и Rк). Наличие вспомогательной ветви автоматически позволяет ввести поправку на температуру холодных спаев термопары. Сопротивление Rк и холодные спаи термопары должны находится при одинаковой температуре. В приборе сопротивление Rк, располагается недалеко от места включения термопар.

Измеряемая ТЭДС термопары компенсируется падением напряжения на сопротивлении Rp, зависящего от положения движка реохорда, и сопротивлениях Rн и Rк:

 

Повышение температуры холодных спаев вызывает уменьшение ТЭДС термопары на величину . При этом падение напряжения на сопротивлении Rк одновременно возрастает. Тогда получаем равенство

 

Чтобы движок реохорда сохранял свое прежнее положение и потенциометр показывал измеряемую температуру, необходимо обеспечить равенство

 

Если ТЭДС термопары не равна падению напряжения Ubd, то напряжение небаланса подается на зажимы преобразовательного каскада, входящего в электронный усилитель ЭУ.

В преобразовательном каскаде постоянное напряжение небаланса преобразуется в переменное, которое затем усиливается по напряжению и мощности до значения, достаточного для вращения реверсивного двигателя (РД), который, вращаясь по часовой стрелке или против нее в зависимости от знака разбаланса, передвигает движок реохорда и восстанавливает равновесие измерительной схемы. Одновременно двигатель РД перемещает показывающую стрелку. При равновесии измерительной схемы, когда  , реверсивный двигатель не вращается, так как на вход преобразовательного каскада напряжение не подается.

Для установки рабочего тока I1 переключатель П, нормально находящийся в положении И (измерение), переводится в положение К (контроль). При этом одновременно устанавливается кинематическая связь реверсивного двигателя с движком реостата Rб и подключается электронный усилитель к цепи нормального элемента (НЭ) [1].

Если падение напряжения не равно ЭДС нормального элемента, то электронный усилитель так же, как и при измерении ТЭДС термопары, получает сигнал, равный разности между ЭДС нормального элемента и падением напряжения на сопротивлении RНЭ. Реверсивный двигатель, вращаясь по часовой стрелке или против нее в зависимости от знака разбаланса, передвигает движок реостата Rб, меняя величину питающего напряжения.

В момент равновесия, когда на электронный усилитель сигнал не подается, и реверсивный двигатель останавливается. В этот момент устанавливается вполне определенное значение рабочего тока I2.

В автоматических потенциометрах применяются усилители переменного тока, которые значительно проще, дешевле и надежнее усилителей постоянного тока.

 

6.Обобщение

Современная термодинамика, как мы уже отметили, 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. Огромный диапазон существующих температур (теоретически максимально возможное значение температуры составляет 10 К) обусловил большое разнообразие методов их измерения. Наиболее распространенные методы измерения температуры и области их применения приведены в таблице :

Таблица

Методы измерения температур и области их применения

Средство или метод измерения температуры	Диапазон измеряемых температур, К
Гелиевые термометры	1–10
Термошумовые термометры	4–1300
Терморезисторы: угольные полупроводниковые из благородных металлов из неблагородных металлов	4–14 4–14 10–1300 4–1000
Газовые резонаторы	4–300
Кварцевые резонаторы	10–700
Ядерный квадрупольный резонанс	10–300
Термопары: из неблагородных металлов из благородных металлов из тугоплавких материалов	10–2500 1000–2500 1000–2500
Оптические пирометры: радиационные яркостные цветовые	400–4000 1000–10000 и выше 1500–10000 и выше
Спектральные методы	2900–10000 и выше

 

6.1 Существующие методы 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, 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 ряда парамагнитных солей от абсолютной температуры , описываемой законом Кюри – Вейса (16):

 

=С/ ( - ), (16)

 

где С и - 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 железоалюминиевых квасцов. Катушка включается в мостовую цепь, и изменение температуры, вызывающее изменение образца, приводит к изменению индуктивности катушки, пропорциональному измеряемой температуре.

Для измерения температуры выше 4 К используется термошумовые термометры. Область их применения простирается до 1300 К, и поэтому они

будут описаны далее.

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

6.2 В диапазоне температур от 1 до 4К базовым прибором для воспроизведения температурной шкалы является гелиевый газовый термометр.

Примером такого термометра может служить прибор, созданный во ВНИИФТРИ (Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Физико-Технических и Радиотехнических Измерений) и имеющий строго постоянный объем, давление в котором, изменяющееся линейно с температурой, измеряется точным мембранным манометром. Кроме того в диапазоне от 1 до 5К применяется конденсационные термометры, в основе которых лежит хорошо изученная зависимость давления насыщенных паров жидких газов от температуры. Точность, достигаемая при измерении температуры с помощью конденсационные термометров, весьма велика. Так, при использовании жидкого гелия погрешность измерения не превышает 0,002 К.

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

 Достаточное точное  измерение в этом диапазоне  может быть основано на зависимости  шумового напряжения  на резисторе R от температуры . Средний квадрат напряжения шума по формуле Найквиста будет выражаться следующим образом (17):