Измерение температуры термоэлектрическим и терморезистивным методами

 

= 4 R , (17)

 

где =1,38 – постоянная Больцмана, Дж/К;

– 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:

1. по величине шумового напряжения (усиленного выпрямленного), если уровень шумов достаточно высок. Датчик термометра выполняется из платиновой проволоки диаметром 2,5 мкм с платиновым экраном толщиной 50 мкм в кварцевой оболочке. Погрешность измерения = 1000 К составляет 1%.

2. по числу шумовых импульсов. 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.

Также для измерения низких температур используются термометры ядерного квадрупольного резонанса (ЯКР), которые основаны на взаимодействии градиента электрического поля кристаллической решетки и квадрупольного электрического момента ядра, вызванного отклонением распределения заряда ядра от сферической симметрии. Это взаимодействие ЯКР, зависит от градиента электрического поля решетки и для различных веществ имеет значения 100 кГц до 1000 Мгц. Градиент электрического поля решетки зависит от температуры, и с повышением температуры частота ЯКР понижается. Приближенно температурная зависимость описывается выражением (18):

 

= (1- a + b/ ), (18)

 

где ,а и b – постоянные, характерные для данного вещества и определяемые экспериментально.

 

6.4 Датчик ядерного квадрупольного резонанса - 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 в отсчету частоты генератора частотомером. Чувствительность в районе 300 К равна 4,8 кГц/К. Погрешность измерения температуры 10 К составляет +0,02 К, а при 300 К равна +0,002 К. Недостаток ЯКР-термометров – резкая нелинейность их характеристики, исключающая возможность прямого цифрового отсчета

6.5 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 измерении средних и высоких температур является защита термоэлектронов от разрушающего термического и воздействия среды. Для этого термопары снабжают 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. Зависимость срока службы термопары от пористости защитной оболочки показана на рисунке

 Зависимость срока службы термопары от пористости           

                                                                                                                                               защитной оболочки

 

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 исследуемую среду, и измеряется скорость нарастания температуры рабочего спая. Зная зависимость между скоростью нагрева термопары (ее тепловую инертность) и температурной средой можно рассчитать значение измеряемой температуры. Этот метод применяется для измерения температуры расплавленного металла (2000-2500°С) и газового потока (1800°С).

6.6Достаточно давно разработаны и выпускаются отечественной промышленностью полупроводниковые датчики температуры с чувствительными элементами, созданными на основе окислов переходных металлов с неполностью заполненной 3d электронной оболочкой. Достоинством таких датчиков (обычно называемых терморезисторами) является большое значение температурного коэффициента сопротивления и сравнительно малые размеры. В зависимости от применяемого полупроводникового материала терморезисторы разделяют на кобальто-марганцевые (КМТ и СТ1), медно-марганцевые (ММТ и СТ2), медно-кобальтовые (СТ3 и СТ4) и титано-бариевые, имеющие малый допуск по сопротивлению и ТКС (позисторы СТ5 и СТ6).

6.7Цветовые термоиндикаторы являются одним из перспективных средств не только регистрации, но и измерения температуры. К таким термоиндикаторам относятся вещества, обладающие способностью резко изменять свой цвет при определенной температуре, называемой температурой перехода. Применение термочувствительных покрытий особенно эффективно для исследования распределения температуры в печах различного назначения, в том числе для обжига породы в производстве минеральных удобрений, в газовых и паровых турбинах и т.п. Основными потребителями являются промышленность стройматериалов, производство минеральных удобрений, турбостроение, электронная и авиационная промышленности. Наибольший интерес представляют многопозиционные цветовые термоиндикаторы.

 

 

По принципу действия термоиндикаторы подразделяются на 4 основных типа:

• термохимические индикаторы

• термоиндикаторы плавления

• жидкокристаллические термоиндикаторы

люминесцентные термоиндикаторы

Термоиндикаторные вещества применяются во многих отраслях народного хозяйства для индикации температур и метрирования температурных полей поверхностей объектов, например, при доводке узлов и деталей, контроле оптимальных температур термообработки, закалки, определении перегревов оборудования и т.д.

В зависимости от условий и целей исследования применяют цветовые, структурные и газовыделяющие термоиндикаторы.

 

6.8Манометрические термометры состоят с термобалона, капиллярной трубки и датчика давления (манометра). Термобалон размещается в окружения, где измеряется температура.

Действие манометрических термометров основано на использовании зависимости давления вещества при постоянном объеме от температуры. Замкнутая измерительная система манометрического термометра состоит из (рис.7) из чувствительного элемента, воспринимающего температуру измеряемой среды, – металлического термобаллона 1, рабочего элемента манометра 2, измеряющего давление в системе, длинного соединительного металлического капилляра 3. При изменении температуры измеряемой среды давление в системе изменяется, в результате чего чувствительный элемент перемещает стрелку или перо по шкале манометра, отградуированного в градусах температуры.

 

6,9 О температуре нагретого тела можно судить на основании измерения параметров его теплового излучения, представляющего собой электромагнитные волны различной длины. Чем выше температура тела, тем больше энергии оно излучает. Датчики, действие которых основано на измерении теплового излучения, называют пирометрическими сенсорами. Одним из главных достоинств данных устройств является отсутствие влияния измерителя на температурное поле нагретого тела, так как в процесс се измерения они не вступают в непосредственный контакт друг с другом. Потому данные методы получили название бесконтактных.

На основании законов излучения разработаны датчики следующих типов:

– датчик суммарного излучения (СИ) – измеряется полная энергия излучения;

– датчик частичного излучения (ЧИ) – измеряется энергия в ограниченном фильтром (или приемником) участки спектра;

– датчики спектрального отношения (СО) – измеряется отношение энергии фиксированных участков спектра.

В зависимости от типа датчика различаются радиационная, яркостная, цветовая температуры.

Радиационной температурой реального тела Тр называют температуру, при которой полная мощность АЧТ равна полной энергии излучения данного тела при действительной температуре Тд.

Яркостной температурой реального тела Тя называют температуру, при которой плотность потока спектрального излучения АЧТ равна плотности потока спектрального излучения реального тела для той же длины волны (или узкого интервала спектра) при действительной температуре Тд.

Цветовой температурой реального тела Тц называют температуру, при которой отношения плотностей потоков излучения АЧТ для двух длин волн и равно отношению плотностей потоков излучений реального тела для тех же длин волн при действительной температуре Тд.

 

 

Заключение

 

Анализ литературных источников позволяет сделать вывод об огромном значении температуры в промышленности и лабораторной исследовательской деятельности. Контроль температуры является неотъемлемой частью производства, как и с технической стороны (контроль качества, или температурных свойств материала), так и со стороны безопасности и экологичности (контроль дефектов и аномалий, утечек, агрессивных сред). Стремительное развитие электроники и вычислительной техники и огромный диапазон существующих температур (теоретически максимально возможное значение температуры составляет 10 К) обусловил большое разнообразие методов и датчиков для их измерения.

 В то же время  измерению температуры контактными  методами с помощью термометров, приводимых в тепловой контакт  с объектом измерения, присущи  специфические трудности, резко  возрастающие по мере повышения  температуры. Эти трудности связаны  с выбором материала для чувствительного  элемента, которые бы обеспечивали  стабильность показаний и минимальное  воздействие на объект измерений, с выбором изоляционных материалов  для электрических термометров. Погрешности, связанные при контактных  измерениях с несовершенством теплового равновесия между термометром и объектом, с плохим тепловым контактом и посторонними тепловыми влияниями могут быть значительными.

Измерение температуры по тепловому излучению создает возможность обойти все эти трудности, так как отсутствует прямое воздействие температуры на конструкционные материалы измерительного прибора, а само измерение осуществляется бесконтактно более широком использовании датчиков температуры, термометров, пирометров и различных приборов измеряющих теплоту, разнообразие которых позволяет решить множество сложных задач. Появившиеся в последнее время приборы автоматические потенциометры, полупроводниковые датчики, электиреские термометры сопротивления удешевляют затраты на применения по сравнению с другими видами приборов измеряющие температуру и теплоту.

Практический опыт построения систем регулирования промышленных объектов показывает, что главное значение здесь приобретает не задача выбора алгоритмов функционирования регуляторов, а задачи построения оптимальной схемы получения регулятором текущей информации о состоянии объекта регулирования, которое отражает характер взаимодействия между двумя функциональными основными элементами системы регулирования и безопасная работа технологических агрегатов промышленности требует, применения современных методов и средств измерения величин, характеризующих ход производственного процесса и состояние оборудования. Температура является одним из основных параметров, подлежащих контролю со стороны систем автоматического управления. В условиях агрессивных сред и высоких температур, наиболее подходящими для использования являются фотоэлектрические пирометры. Они позволяют контролировать температуру от 100 до 6000 0С и выше. Одним из главных достоинств данных устройств является отсутствие влияния температурного поля нагретого тела на измеритель, так как в процессе измерения они не вступают в непосредственный контакт друг с другом. Так же фотоэлектрические пирометры обеспечивают непрерывное автоматическое измерение и регистрацию температуры, что позволяет использовать их в системах автоматического управления процессами без дополнительных затрат на приобретение и обслуживание устройств сопряжения.

 

 

Список использованной литературы:

 

 

А.А.Абрикосов. Основы теории металлов. 1987.520 с.

А. Г. Шашков Терморезисторы и их применение. М. 1967. 320 с.

А.И. Трофимов, А.А. Ширяев Справочник слесоря КИП и А. М.1986 256с.

Б.В. Олейник Приборы и методы температурных измерений. – М. 1987. – 292 с.

В. Гарсия Измерение температуры: теория и практика. СТА 1/1999