Волковой М.С. Метрология
.pdf
211
Расширение жидкостей
Жидкостный датчик – термометр (ртуть, керосин, спирт). Визуальный отсчет по уровню жидкости в капилляре возможен по шкале, а также возможен и электрический выход (контактный датчик). Если жидкость (ртуть) достигнет определенного уровня, то цепь замкнется. Можно делать резистивный датчик, поместив в трубку резистор.
Расширение газов
Измерение температуры через расширение газа (фреон) показано на
рис. 3.55. С ростом температуры окружающей среды фреон расширяется, Капилляр (контакты)
увеличивая давление в мембранной коробке, жесткий центр которой изменяет
состояние контакта включения компрессора холодильной установки (бытовой холодильник).
Расширение металлов
Измерение температуры через расширение металлов показано на примере бытового электрического утюга, где датчиком температуры является биметаллическая пластина с различным коэффициентом расширения (ТКР) a ее отдельных пластин. Биметаллический датчик показан на рис. 3.56.
При повышении температуры контактная группа из пластин инвара и латуни изгибается, и размыкается цепь питания нагревательного элемента утюга.
На рис. 3.57 приведено дилатометрическое реле температуры регулирования температуры в диапазоне –20 °С…+40 °С.
Рис. 3.57. Дилатометрическое реле температуры
212
Рис. 3.58. Струнный датчик температуры и его статическая характеристика
Измерение температуры возможно через изменение частоты колебаний струнного датчика, показанного на рис. 3.58. Струна датчика совместно с возбудителем, адаптером и усилителем образует электромеханический генератор синусоидальных колебаний с мягким режимом возбуждения. Частота генератора будет определяться натяжением инваровой струны, которое зависит только от расширения латунного корпуса.
3.3.1. Термоэлектрические преобразователи. Принцип действия
Явление термоэлектричества (прямой эффект) было открыто в 1823 г. Зеебеком [21] и заключается в следующем. Если составить цепь из двух различных проводников (или полупроводников) А и В, соединив их между собой концами, как показано на рис. 3.59,а, причем температуру 1 одного места соединения сделать отличной от температуры 0 другого, то в цепи потечет ток под действием ЭДС, называемой термоэлектродвижущей силой (термоЭДС).
ЕАВ( 1, 0) = f( 1) – f( 0).
Рис. 3.59. Термоэлектрический контур
Подобная цепь называется термоэлектрическим преобразователем или термопарой. Проводники, составляющие термопару, называются термоэлектродами, а места их соединения – спаями. У любой пары электродов значение термоЭДС зависит только от природы проводников и разности
213
температур спаев. Поскольку материал термоэлектродов различный, то и проводимость электродов неодинакова. Термоэлектрический контур можно разомкнуть в любом месте и включить в него один или несколько разнородных проводников. Если все появившиеся при этом места соединения находятся при одинаковой температуре, то в них не возникает паразитных термоЭДС. Поэтому прибор для измерения термоЭДС может быть включен как между свободными концами термопары, так и в разрыв одного из термоэлектродов, как показано на рис. 3.59,б,в.
Принцип действия термопары основан на термоЭДС, которая возникает за счет разной плотности электронов и диффузии электронов (внутренний фотоэффект). Свободные электроны в металле ведут себя, как идеальный газ. Кинетическая энергия электронов определяется температурой материала. Однако в разных металлах энергия и плотность свободных электронов не являются одинаковыми. Когда два разных материала, находящихся при равной температуре, соприкасаются друг с другом, свободные электроны за счет диффузии перемещаются через место соединения. Электрический потенциал материала, принявшего электроны, становится более отрицательным, а материал, отдавший электроны, – более положительным. Разные концентрации электронов с двух сторон соединения формируют электрическое поле, уравновешивающее процесс диффузии, в результате чего устанавливается некоторое равновесие. Если контур является замкнутым и оба соединения находятся при одинаковой температуре, электрические поля около них взаимно уничтожаются, чего не происходит, когда место соединений имеет разную температуру. Эффект Зеебека в дальнейшем был изучен А. Эйнштейном, который вывел формулу работы выхода
A = hν + mV 2 .
2
где h – постоянная Планка, ν – частота, m – масса электрона, V – скорость электрона.
Согласно формуле Эйнштейна каждый металл (сплав) имеет свою работу выхода. Соединяя сплавы между собой с разными значениями работы А, были получены рабочие и образцовые термопары (ХА, ХК и др.). Различные термопары имеют разные статические характеристики, которые задаются таблично. Эталонная термопара составляется из двух сплавов: платинородий (90 % – платина, 10 % – родий) и чистая платина. Такая термопара может измерять длительно температуру до 1 400°С, кратковременно – 1 600°С.
Явление термоэлектричества относится к числу обратимых явлений. Обратный эффект был открыт Жаном Пельтье и назван его именем. Если через цепь, состоящую из двух различных проводников или полупроводников, пропустить электрический ток, то теплота выделяется в холодном спае и поглощается в горячем. Теплота Пельтье связана с силой тока ли-
214
нейной зависимостью, нагревание или охлаждение спая зависит от направления тока через спай. КПД термоэлектрического генератора (термопары) очень мал. При = 300 С не превышает 13 %. КПД термоэлектрического подогревателя или холодильника также очень мал. При температурном перепаде 5 С КПД составляет 9 %, а при перепаде 40 С – только 0,6 %.
В измерительной технике термопары получили широкое распространение для измерения температур. Полупроводниковые термоэлементы используются как обратные тепловые преобразователи, преобразующие ток в тепловой поток. Для создания термопар были измерены ЭДС различных металлов и сплавов, причем вторым электродом служила платина. При конструировании термопар стремятся сочетать термоэлектроды, один из которых развивает с платиной положительную, а другой – отрицательную термоЭДС. При этом необходимо учитывать пригодность того или иного электрода для применения в заданных условиях измерения (влияние на термоэлектроды среды, температуры и т.д.). Зависимость термоЭДС от температуры обычно нелинейна, поэтому данные табл. 3.2 нельзя распространять на более высокие температуры.
Удлинительные электроды, измерительные цепи, погрешности термопар
Свободные концы термопары должны находиться при постоянной температуре, как показано на рис. 3.60, однако не всегда можно сделать электроды термопары настолько длинными и гибкими, чтобы ее свободные концы размещались в достаточном удалении от рабочего спая. Кроме того, при использовании благородных металлов делать длинные электроды экономически невыгодно, поэтому приходится применять провода из другого материала. Соединительные проводаА1 А1В1, показанные на рис. 3.60, идущие от зажимов в головке термопары до сосуда объемом V, температуру в котором желательно поддерживать постоянной, называют дополнительными термоэлектродами. Далее для соединения с измерительными прибором можно использовать обычные провода. Чтобы при включении дополнительных термоэлектродов из материалов, отличных от материалов основных электродов, не изменилась термоЭДС термопары, необходимо выполнить два условия.
Места присоединения дополнительных термоэлектродов к основным термоэлектродам в головке термопары должны иметь одинаковую температуру.
Дополнительные термоэлектроды должны быть термоэлектрически идентичны основной термопаре, т.е. иметь ту же термоЭДС в диапазоне возможных температур места соединения термоэлектродов в головке термопары (примерно в диапазоне от 0 до 20 С).
215
Рис. 3.60. Измерительная схема термопары
|
|
|
Таблица 3.2 |
|
|
|
|
Материал |
ТермоЭДС, |
Материал |
ТермоЭДС, |
|
мВ |
|
мВ |
Кремний |
+44,8 |
Свинец |
+0,44 |
Сурьма |
+4,7 |
Олово |
+0,42 |
Хромель |
+2,4 |
Алюминий |
+0,40 |
Нихром |
+2,2 |
Графит |
+0,32 |
Железо |
+1,8 |
Уголь |
+0,30 |
Сплав (90 % Pt + |
+1,3 |
Ртуть |
0,00 |
+ 10 % Ir) |
|
|
|
Молибден |
+1,2 |
Палладий |
–0,57 |
Вольфрам |
+0,8 |
Никель |
–1,5 |
Манганин |
+0,76 |
Алюмель |
–1,7 |
Медь |
+0,76 |
Сплав (60 % Au + |
|
Золото |
+0,75 |
+ 30 % Pd + 10 % Pt) |
–2,31 |
Серебро |
+0,72 |
Константан |
–3,4 |
Иридий |
+0,65 |
Копель |
–4,5 |
Родий |
+0,64 |
Пирит |
–12,1 |
Сплав (90 % Pt + |
+0,64 |
Молибден |
от –69 до |
+ 10 % Rh) |
|
|
–104 |
Для термопары платинородий–платина применяются дополнительные электроды из меди и сплава ТП (99,4 % Cu + 0,6 % Ni), образующие термопару, термоидентичную термопаре платинородий–платина в пределах до 150 С. Для термопары хромель–алюмель, показанной на рис. 3.61, дополнительные термоэлектроды изготавливаются из меди и константана. Для термопары хромель–копель дополнительными являются основные электроды, но выполненные в виде гибких проводов.
216
Рис. 3.61. Схема подключения к термопаре удлинительных проводов
При неправильном подключении удлинительных термоэлектродов возникает существенная погрешность, она почти в два раза больше, чем при подключении медными проводами.
Скоростная термопара
Инерционность термопары определяется временем ее прогрева. Для уменьшения инерционности делают тонкостенный кожух, или вообще его исключают, или дополняют скоростной термопарой, показанной на рис. 3.62. Спай 1 – инерционный; спай 2 – малоинерционный.
Рис. 3.62. Скоростная термопара
Совместное включение обычной термопары и скоростной термопары образует термопару с малой инерционностью.
Расчет поправки от разогрева холодных спаев термопары
Поскольку характеристика термопары нелинейная и значение термоЭДС зависит от нагрева ее холодных концов, то необходимо вводить поправку Т на изменение температуры холодных спаев термопары
(рис. 3.63).
Дана градуировочная кривая термопары E = f(t °C), где t0 = 0 °C. Положим, что ТП нужно измерить температуру t1 при температуре свободных концов t0 , которая больше, чем t0 . Очевидно, что ЭДС термопары бу-
дет меньше и отсчет температуры по прибору t0 будет меньше, чем t1.
218
При измерении термоЭДС милливольтметром возникает погрешность из-за изменения сопротивлений всех элементов, составляющих цепь термоЭДС (рабочие термоэлектроды, дополнительные электроды и соединительные провода).
3.3.2. Терморезисторы
Металлические терморезисторы
Для измерения температур используются терморезисторы из материалов, обладающих высокостабильным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС), хорошей воспроизводимостью свойств и инертностью к воздействиям окружающей среды. Это – платина, медь, вольфрам и никель.
Сопротивление платиновых терморезисторов в диапазоне температур от 0 до 650 С определяется выражением
Rt = R0 (1 + At + Bt2),
где R0 – сопротивление терморезистора при 0 С, t – температура, А, В – постоянные коэффициенты. Для платины R100 /R0 =1,39.
В интервале температур от 0 до –200 С зависимость сопротивления платинового термометра от температуры имеет вид
Rt = R0[1+ At + Bt2 + С(t – 100)t3].
Промышленные платиновые термометры используются в диапазоне температур от –260 С до 650 С. Миниатюрные платиновые высокоомные терморезисторы изготавливаются путем вжигания или нанесения платиновой пленки на керамическое основание. При ширине пленки около 0,1–0,2 мкм, толщине 1–2 мкм и длине 5–10 мм сопротивление резисторов лежит в пределах 200–500 Ом. При расчете сопротивления медных терморезисторов в диапазоне температур от –50 до 180 С применяется формула Rt = R0(1+ t), где = 0,428 % / С, R0 – сопротивление при 0 С. Медный терморезистор можно применять только до температуры 200 С в неагрессивной среде (атмосфере, свободной от влажности и коррозирующих газов). При более высоких температурах медь окисляется. Нижний предел температуры для медных терморезисторов равен –200 С.
Погрешности, возникающие при измерении температуры терморезисторов, вызываются нестабильностью во времени начального сопротивления термометра R0 и его ТКС, изменением сопротивления линии, соединяющей термометр с измерительным прибором, и перегревом термометра измерительным током.
219
Основным преимуществом никелевых резисторов является более высокое удельное сопротивление, но зависимость сопротивления от температуры линейна только до 100 С. При температурах свыше 100 С ТКС никелевого термосопротивления переменный.
|
|
|
|
Таблица 3.3 |
|
|
|
|
|
|
|
Удельное сопро- |
|
|
Материал |
ТКС в диапазоне |
тивление при 20 |
Температура |
ТермоЭДС |
0–100 С |
|
плавления |
в паре с медью, |
|
|
С, Ом мм2/м |
МКВ/К |
||
|
|
|
||
|
|
|
|
|
Платина |
0,0039 |
0,105 |
1773 |
7,5 |
Медь |
0,00427 |
0,017 |
1083 |
0 |
Никель |
0,0069 |
0,08 |
1455 |
22,5 |
Вольфрам |
0,0048 |
0,055 |
3410 |
0,5 |
Вольфрамовые резисторы имеют более высокий ТКС, но при температуре выше 400 С окисляются. Некоторые характеристики металлов, используемых в терморезисторах, приведены в табл. 3.3.
Полупроводниковые терморезисторы
Полупроводниковые терморезисторы (термисторы) изготавливаются из смеси окислов металлов: марганца, кобальта, никеля, железа и др. В определенной пропорции окислы смешиваются, спекаются и из полученной смеси прессуют термисторы в виде стержня, диска, трубки, шарика с металлическими выводами (рис. 3.65). Термисторы отличаются от металлических меньшими габаритами и большими значениями ТКС. ТКС термисторов отрицателен и уменьшается обратно пропорционально квадрату абсолютной
|
B |
|
–1 |
температуры |
|
. При 20 С ТКС составляет 0,02–0,08 К |
. Темпера- |
T2 |
турная зависимость сопротивления полупроводниковых терморезисторов (ПТР) достаточно хорошо описывается формулой
B
Rt Ae T ,
где Т – абсолютная температура, А – коэффициент, имеющий размерность сопротивления, В – коэффициент, имеющий размерность температуры.
220
Рис. 3.65. Конструкции полупроводниковых терморезисторов
Недостатками термисторов, существенно снижающими их эксплуатационные качества, являются нелинейность зависимости сопротивления от температуры и значительный разброс параметров от номинального значения.
Таблица 3.4
Тип |
Номинальное |
Постоянная |
Диапазон |
Мощность |
ТКС при 20 С, |
По- |
|
сопротивление |
В, 102 К |
рабочих |
рассеяния |
К–1 |
стоян- |
|
при 20 С, кОм |
|
температур, |
Рдоп, мВт |
|
ная |
|
|
|
С |
|
|
време- |
|
|
|
|
|
|
ни, с |
КМТ-1 |
22–1 000 |
36–72 |
–60…+180 |
0,3 |
–0,042…–0,084 |
85 |
КМТ-8 |
0,1–10 |
|
–45…+70 |
1,0 |
|
115 |
ММТ-1 |
1–220 |
20,6–43 |
–60…+125 |
0,4 |
–0,024…–0,05 |
85 |
ММТ-8 |
0,001–0,047 |
20,6–27,5 |
–45…+70 |
2,0 |
– 0,024…–0,032 |
– |
|
0,056–0,1 |
22,3–29,2 |
|
|
–0,024…–0,034 |
|
|
0,12–1,0 |
22,3–34 |
|
|
–0,026…–0,04 |
|
ММТ-9 |
0,01–4,7 |
20,6–43 |
–60…+125 |
2,0 |
–0,024…– 0,05 |
– |
СТ3-23 |
2,2; 2,7; 3,3; |
26–32 |
–60…+125 |
2,0 |
–0,0305…– |
– |
|
3,9; 4,7 Ом |
|
|
|
0,0375 |
|
СТ3-17 |
0,033–0,33 |
25,8–38,6 |
–60…+100 |
0.2 |
–0,03…–0,045 |
30 |
СТ1-17 |
0,33–22 |
36–60 |
|
|
–0,042…–0,07 |
|
В табл. 3.4 приведены характеристики для некоторых типов термисторов. В графе «Номинальное сопротивление» приведены крайние значения рядов номинальных сопротивлений.