Измерение температуры термоэлектрическим и терморезистивным методами

Содержание

 

1. Краткое описание  сущности физического эффекта                                2

2. Физические основы измерений                                                                  4

3. Принципы действия                                                                                   10           

4. Конструктивные особенности прибора                                                   12

5. Подключение и сопутствующие приборы                                               16

6. Обобщение                                                                                                    23

7. Заключение                                                                                                  28

8. Список использованной литературы                                                       29

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.1 В этой работе мы  рассматриваем «Измерение температуры  термоэлектрическим и терморезистивным  методами»

Рассмотрим температуру как физическое явление : температура — физическая величина, количественно характеризующая меру средней кинетической энергии теплового движения молекул какого либо тела или вещества. Из определения температуры следует, что она не может быть измерена непосредственно и судить о ней можно по изменению других физических свойств тел (объема, давления, электрического сопротивления, термоЭДС, интенсивности излучения и т.д.). В зависимости от диапазона измеряемых температур различают две основные группы методов измерения: контактные (собственно термометрия) и бесконтактные (пирометрия или термометрия излучения), при меняемые в основном для измерения очень высоких температур. В первую, более обширную группу входят жидкостные, манометрические, термоэлектрические термометры, термометры сопротивления и др. Для измерения криогенных температур используются также газовые, акустические и магнитные термометры. Кроме того, в системах, не требующих  высокой точности измерений, в определённом диапазоне температур широко используются полупроводниковые датчики температуры на диодах, транзисторах и специальных интегральных микросхемах.

 

1.2 Изменение температуры очень важный и известный с древности параметр, в связи с тем, что из-за его перепадов подчас зависела сама жизнь. Но изобретение приборов учёта и систематизации, то есть изобретения температурных шкал произошло довольно поздно.

Первое достоверно известное устройство для измерения температуры было создано Г. Галилеем около 1595 г. Этот прибор (термоскоп) использовал явление изменения объема газа при нагревании и охлаждении. Однако этот прибор (и последующие аналоги) имел большой недостаток: его шкала была относительной и показания не могли быть выражены в численной форме.

 

Крупным шагом в развитии термометрии было введение изобретателем ртутного термометра Г.Фаренгейтом (G. Fahrenheit) в начале 18 века первой температурной шкалы, названной его именем, опирающейся на две опорные точки. В качестве нижней опорной точки (0°F) он использовал температуру замерзания солевого раствора, самую низкую воспроизводимую в то время, а в качестве верхней точки темпера туру тела человека (96  °F в старину было удобнее считать дюжинами). Сам изобретатель определял вторую эталонную точку как температуру под мышкой здорового англичанина.

Привычная нам десятичная температурная шкала была предложена А. Цельсием (A. Celsius) в 1742 году. В качестве опорных точек для нее используются температура плавления льда (0°C) и температура кипения воды (100°C).

Наконец, в начале 19 века английским ученым лордом Кельвином(Kelvin) была предложена универсальная абсолютная термодинамическая температурная шкала, ставшая стандартной в современной термометрии. Одновременно Кельвин обосновал понятие абсолютного нуля температуры. Перевести температуру из одной шкалы в другую можно с помощью следующих простых соотношений:

 

 

T(°C)= _95 (T(°F) & 32)

T(K)=T(°C) + 273,15

 

Таким образом, 0°C соответствует 32°F и 273,15 К, а 100°C —212°F и 373,15 К.

Выбор между этими опорными точками 100 делений у шкалы Цельсия и 180 делений у шкалы Фаренгейта является чисто условным (как, впрочем, и выбор самих опорных точек). Для обеспечения единства измерений температуры в качестве международного стандарта в 1968 году принята Международная Практическая Температурная Шкала МПТШ 68 (в настоящее время в качестве стандарта принята уточненная в 1990 году версия шкалы ITS 90), использующая в качестве опорных точек температуры изменения агрегатного состояния определенных веществ, которые могут быть воспроизведены. Кроме того, стандарт определяет типы образцовых средств измерения во всем диапазоне температур.

 

 

1.2Приборы измеряющие  термоэлектрическим и терморезистивным  методами и их применение

Термопара-прибор использующий термоэлектрическую силу. Принцип действия основан на эффекте Зеебека или, иначе, термоэлектрическом эффекте. Когда концы проводника находятся при разных температурах, между ними возникает разность потенциалов, пропорциональная разности температур. Коэффициент пропорциональности называют коэффициентом термо-ЭДС. У разных металлов коэффициент термо-ЭДС разный и, соответственно, разность потенциалов, возникающая между концами разных проводников, будет различная. Помещая спай из металлов с отличными коэффициентами термо-ЭДС в среду с температурой Т1, мы получим напряжение между противоположными контактами, находящимися при другой температуре Т2, которое будет пропорционально разности температур Т1 и Т2.

 

 

Терморезистивный – метод измерения температуры основан на изменении электрического сопротивления металлов или полупроводников при изменении температуры.

 

Металлический термометр сопротивления представляет собой резистор, выполненный из металлической проволоки или плёнки и имеющий известную зависимость электрического сопротивления от температуры. Наиболее распространённый тип термометров сопротивления — платиновые термометры. Это объясняется тем, что платина имеет высокий температурный коэффициент сопротивления и высокую стойкость к окислению. Эталонные термометры изготавливаются из платины высокой чистоты с температурным коэффициентом не менее 0,003925. В качестве рабочих средств измерений применяются также медные и никелевые термометры. Действующий стандарт на технические требования к рабочим термометрам сопротивления: ГОСТ Р 8.625-2006 (Термометры сопротивления из платины, меди и никеля. Общие технические требования и методы испытаний). В стандарте приведены диапазоны, классы допуска, таблицы НСХ и стандартные зависимости сопротивление-температура. Стандарт соответствует международному стандарту МЭК 60751 (2008). В стандарте впервые отказались от нормирования конкретных номинальных сопротивлений. Сопротивление изготовленного термометра может быть любым. Промышленные платиновые термометры сопротивления в большинстве случаев используются со стандартной зависимостью сопротивление-температура (НСХ), что обуславливает погрешность не лучше 0,1 °C (класс АА при 0 °C). Термометры сопротивления на основе напыленной на подложку плёнки отличаются повышенной вибропрочностью, но меньшим диапазоном температур. Максимальный диапазон, в котором установлены классы допуска платиновых термометров для проволочных чувствительных элементов составляет 660 °C (класс С), для плёночных 600 °C (класс С).

 

Терморезистор – полупроводниковый резистор, сопротивление которого сильно изменяется с изменением температуры. Это резистивный прибор, обладающий высоким ТКС (температурным коэффициентом сопротивления) в широком диапазоне температур. Различают терморезисторы с отрицательным ТКС, сопротивление которых падает с возрастанием температуры, часто называемые термисторами, и терморезисторы с положительным ТКС, сопротивление которых увеличивается с возрастанием температуры. Такие терморезисторы называются позисторами. Терморезисторы обоих типов изготавливают из полупроводниковых материалов, диапазон изменения их ТКС – (-6,5; +70)%/оC.

2.1 Физические основы измерений

В предыдущем параграфе мы уже разделили работу на три направления, термометр сопротивления, термистор и термопара. Начнём по порядку.

 

2.2 Термометр сопротивления(металлический)

Следует заметить, что все металлы обладают положительным ТКС. Другими словами электрическое сопротивление проводника увеличивается при возрастании температуры. Здесь можно вспомнить тот факт, что лампы накаливания перегорают чаще всего в момент включения, пока спираль холодная и сопротивление ее невелико. Отсюда и повышенный ток при включении. Полупроводники имеют отрицательный ТКС, при увеличении температуры их сопротивление уменьшается, но об этом будет сказано чуть выше.

Сопротивление в металлах изменяется согласно закону Ома, согласно ему температурную зависимость сопротивления может быть представлена в виде

      R=άR*T

Где R, R* –соответственно удельное сопротивление и сопротивления проводника при температуре ноль градусов цельсия,ά-температурный коэффициент  сопротивления,     T -термодинамическая температура.

Для большинства металлов при температуре, близкой к комнатной, удельное сопротивление изменяется пропорционально термодинамической температуре.

Особо стоит рассмотреть ά. Все проводники и полупроводники имеют Температурный Коэффициент Сопротивления сокращенно ТКС. Это примерно то - же, что и известный всем коэффициент температурного расширения: при нагревании тела расширяются.

Все металлы обладают положительным ТКС. Другими словами электрическое сопротивление проводника увеличивается при возрастании температуры. Здесь можно вспомнить тот факт, что лампы накаливания перегорают чаще всего в момент включения, пока спираль холодная и сопротивление ее невелико. Отсюда и повышенный ток при включении. Полупроводники имеют отрицательный ТКС, при увеличении температуры их сопротивление уменьшается, но об этом будет сказано далее.

2,3 Полупроводниковые терморезисторы

Полупроводники́ — материалы, которые по своей удельной проводимости занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличаются от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и различных видов облучения. Основным свойством этих материалов является увеличение электрической проводимости с ростом температуры.

 

Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет порядка нескольких электрон-вольт (эВ). Например, алмаз можно отнести к широкозонным полупроводникам, а арсенид индия — к узкозонным. К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и другие), огромное количество сплавов и химических соединений (арсенид галлия и др.). Почти все неорганические вещества окружающего нас мира — полупроводники. Самым распространённым в природе полупроводником является кремний, составляющий почти 30 % земной коры.

 

В зависимости от того, отдаёт ли примесной атом электрон или захватывает его, примесные атомы называют донорными или акцепторными. Характер примеси может меняться в зависимости от того, какой атом кристаллической решётки она замещает, в какую кристаллографическую плоскость встраивается.

 

Проводимость полупроводников сильно зависит от температуры. Вблизи абсолютного нуля температуры полупроводники имеют свойства диэлектриков.

Полупроводники характеризуются как свойствами проводников, так и диэлектриков. В полупроводниковых кристаллах атомы устанавливают ковалентные связи (то есть, один электрон в кристалле кремния, как и алмаза, связан двумя атомами), электронам необходим уровень внутренней энергии для высвобождения из атома (1,76×10−19 Дж против 11,2×10−19 Дж, чем и характеризуется отличие между полупроводниками и диэлектриками). Эта энергия появляется в них при повышении температуры (например, при комнатной температуре уровень энергии теплового движения атомов равняется 0,4×10−19 Дж), и отдельные атомы получают энергию для отрыва электрона от атома. С ростом температуры число свободных электронов и дырок увеличивается, поэтому в полупроводнике, не содержащем примесей, удельное сопротивление уменьшается. Условно принято считать полупроводниками элементы с энергией связи электронов меньшей чем 1,5—2 эВ. Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется у собственных (то есть без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводник Полупроводники, в которых свободные электроны и «дырки» появляются в процессе ионизации атомов, из которых построен весь кристалл, называют полупроводниками с собственной проводимостью. В полупроводниках с собственной проводимостью концентрация свободных электронов равняется концентрации «дырок».