Методы и средства контактных электроизмерений температуры
Министерство общего и профессионального образования
Российской Федерации
Донской Государственный Технический Университет
кафедра "Метрология и управление качеством"
_______________________________________________________
Реферат на тему:
«Методы и средства контактных электроизмерений температур»
Выполнил
Проверил
г. Ростов-на-Дону
2002
Введение
Современная термодинамика 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.
Каждому методу определения температуры, в основе которого лежит
зависимость между каким-либо внешним параметром системы и температурой,
соответствует определенная последовательность значений параметра для
каждого размера температуры, называемая температурной шкалой. Наиболее
совершенной шкалой является термодинамическая температурная шкала (шкала
Кельвина). Практическая ее реализация осуществляется с помощью
Международной практической температурной шкалы (МПТШ), устанавливающей
определенное число фиксированных воспроизводимых реперных точек,
соответствующих температуре фазового равновесия различных предельно чистых
веществ.
Исходным эталоном температуры является комплекс изготовленных в разных
странах мира газовых термометров, по показаниям которых определяются
численные значения реперных точек по отношению к точке кипения химически
чистой воды при давлении 101325 Па, температура которой принята равной
100,00°С(373,15 К точно). Для практического воспроизведения и хранения МПТШ
международным соглашением установлены единые числовые значения реперных
точек, которые с развитием техники время от времени уточняются и
корректируются. Последняя корректировка была произведена в 1968 г. Согласно
МПТШ—68 установлены следующие реперные точки, соответствующие давлению
101325 Па: точка кипения кислорода —182,97 °С (90,18 К), тройная точка воды
(при давлении 610 Па) +0,01 °С (273,16 К), точка кипения воды +100,00 °С
(373,15 К), точки затвердевания: олова +231,9681 °С (505,1181 К), цинка
+419,58 °С (692,73 К), серебра +961,93 °С (1235,08 К) и золота +1064,43 °С
(1337,58 К).
Весь температурный диапазон перекрывается семью шкалами, для
воспроизведения которых в зависимости от области шкалы используются
различные методы: от 1,5 до 4 К — измерение давления паров гелия-4, от 4,2
до 13,8 К — германиевые терморезисторы, от 13,8 до 273,16 К и от 273,16 до
903,89 К— платиновые терморезисторы от 903,89 до 1337,58 К — термопары
платинородий — платина, от 1337,58 до 2800 К — температурные лампы и от
2800 до 100 000 К — спектральные методы.
Огромный диапазон существующих температур (теоретически максимально
возможное значение температуры составляет 1012 К) обусловил большое
разнообразие методов их измерения. Наиболее распространенные методы
измерения температуры и области их применения приведены в таблице 1.
[pic]
Таблица 1
Нас будут интересовать контактные методы и средства электроизмерения
температур.
1. Общие сведения о термоэлектрических преобразователях
1.1. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ.
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Тепловым называется преобразователь, принцип действия которого основан
на тепловых процессах и естественной входной величиной которого является
температура. К таким преобразователям относятся термопары и терморезисторы,
металлические и полупроводниковые. Основным уравнением теплового
преобразования является уравнение теплового баланса, физический смысл
которого заключается в том, что все тепло, поступающее к преобразователю,
идет на повышение его теплосодержания QТС и, следовательно, если
теплосодержание преобразователя остается неизменным (не меняется
температура и агрегатное состояние), то количество поступающего в единицу
времени тепла равно количеству отдаваемого тепла. Тепло, поступающее к
преобразователю, является суммой количества тепла Qэл, создаваемого в
результате выделения в нем электрической мощности, и количества тепла Qто,
поступающего в преобразователь или отдаваемого им в результате теплообмена
с окружающей средой.
Явление термоэлектричества было открыто в 1823 г. Зеебеком и
заключается в следующем. Если составить цепь из двух различных проводников
(или полупроводников) А и В, соединив их между собой концами (рис. 1а),
причем температуру ?1 одного места соединения сделать отличной от
температуры ?о другого, то в цепи появится э.д.с., называемая
термоэлектродвижущей силой (термо-э.д.с.) и представляющая собой разность
функций температур, мест соединения проводников:
EAB(?1,?0) = f(?1) - f(?0).
Подобная цепь называется термоэлектрическим преобразова . телем или
иначе термопарой; проводники, составляющие термопару, — термоэлектродами, а
места их соединения — спаями.
[pic]
Рис. 1
Рис. 2
При небольшом перепаде температур между спаями термо-э. д. с. можно
считать пропорциональной разности температур: EAB = SAB??.
Опыт показывает, что у любой пары однородных проводников подчиняющихся
закону Ома, величина термо-э.д.с. зависит только от природы проводников и
от температуры спаев и не зависит от распределения температур между спаями.
Явление термоэлектричества принадлежит к числу обратимых явлений,
обратный эффект был открыт в 1834 г. Жаном Пельтье и назван его именем.
Если через цепь, состоящую из двух различных проводников или
полупроводников, пропустить электрический ток, то тепло выделяется в одном
спае и поглощается в другом. Теплота Пельтье связана с силой тока линейной
зависимостью в отличие от теплоты Джоуля, и в зависимости от направления
тока происходит нагревание или охлаждение спая.
Поглощаемая или выделяемая тепловая мощность пропорциональна силе
тока, зависит от природы материалов, образующих спай, характеризуется
коэффициентом Пельтье ?AB и равна qAB = ?AB?I.
Во второй половине XIX в. Томсоном был открыт эффект, заключающийся в
установлении на концах однородного проводника, имеющего температурный
градиент, некоторой разности потенциалов и в выделении дополнительной
тепловой мощности при прохождении тока по проводнику, имеющему
температурный градиент. Однако э.д.с. Томсона и дополнительное тепло
настолько малы, что в практических расчетах ими обычно пренебрегают.
На рис. 1б показана принципиальная схема термоэлектрического
преобразователя, который в зависимости от положения переключателя Кл может
работать в режиме генератора электрической энергии (положение 1) и в режиме
переноса тепла от источника с температурой ? к резервуару с температурой
?0.
К.п.д. термоэлектрического генератора зависит от разности температур и
свойств материалов и для существующих материалов очень мал (при ?? = 300°
не превышае ? = 13%, а при ?? = 100° значение ? = 5%), поэтому
термоэлектрические генераторы используются как генераторы энергии лишь в
специальных условиях. К.п.д. термоэлектрического подогревателя и
холодильника также очень малы, и для охлаждения к.п.д. при температурном
перепаде 5° составляет 9%, а при перепаде 40° — только 0,6%; однако,
несмотря на столь низкие к.п.д., термоэлементы используются в холодильных
устройствах. В измерительной технике термопары получили широкое
распространение для измерения температур; кроме того, полупроводниковые
термоэлементы используются как обратные тепловые преобразователи,
преобразующие электрический ток в тепловой поток и температуру.
Термопара с подключенным к ней милливольтметром, применяемая для
измерения температуры, показана на рис. 2.
Если один спай термопары, называемый рабочим, поместить в среду с
температурой ?1, подлежащей измерению, а температуру ?2, других, нерабочих,
спаев поддерживать постоянной, то f(?0) = const и
EAB(?1,?0) = f(?1) – C= f1(?1).
независимо от того, каким образом произведено соединение термоэлектродов
(спайкой, сваркой и т. д.). Таким образом, естественной входной величиной
термопары является температура ?1 ее рабочего спая, а выходной величиной —
термо-э. д. с., которую термопара развивает при строго постоянной
температуре ?2 нерабочего спая.
Материалы, применяемые для термопар. В табл. 2 приведены термо-э.д.с.,
которые развиваются различными термоэлектродами в паре с платиной при
температуре рабочего спая ?1 = 100° С и температуре нерабочих спаев
?2 = 0° С. Зависимость термо-э.д.с. от температуры в широком диапазоне
температур обычно нелинейна, поэтому данные таблицы нельзя распространить
на более высокие температуры.
Таблица 2
|Материал |Термо |Материал |Термо |
| |э.д.с., | |э.д.с., |
| |мВ | |мВ |
|Кремний |+44,8 |Свинец |+0,44 |
|Сурьма |+4,7 |Олово |+0,42 |
|Хромель |+2,4 |Магний |+0,42 |
|Нихром |+2,2 |Алюминий |+0,40 |
|Железо |+1,8 |Графит |+0,32 |
|Сплав(90% Pt+10% Ir) |+1,3 |Уголь |+0,30 |
|Молибден |+1,2 |Ртуть |0,00 |
|Кадмий |+0,9 |Палладий |-0,57 |
|Вольфрам |+0,8 |Никель |-1,5 |
|Манганин |+0,76 |Алюмель |-1,7 |
