Методы технических измерений

МЕТОДЫ ТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

Лабораторный практикум

для студентов специальностей:

150103 −Теплофизика, автоматизация и экология промышленных печей; 150106 – Обработка металлов давлением; 230201- Информационные системы и технологии (специализация «Информационные системы в металлургии»)

Новокузнецк

УДК 681.2-2.083

ББК 30.10

М 54

Рецензент

кандидат технических наук

доцент кафедры информационных технологий в металлургии СибГИУ

А.Г. Падалко

М54 Методы технических измерений : лаб. практикум / Сост.: Н.Ф. Бондарь, С.М. Кулаков. СибГИУ – Новокузнецк, 2009. − 57 с.: ил.

Дана классификация методов измерений, описаны методы и средства измерений, рассмотрена методика выполнения лабораторных работ по изучению разностного, компенсационного, контактного и бесконтактного методов измерения температуры, приведен перечень контрольных вопросов для проверки знаний студентов.

Предназначен для студентов специальностей: 150103 − Теплофизика, автоматизация и экология промышленных печей; 150106 – Обработка металлов давлением; 230201− Информационные системы и технологии (специализация «Информационные системы в металлургии»); по дисциплинам «Метрология, стандартизация и сертификация», «Основы автоматизации технологических процессов ОМД»

Содержание

1 Основные сведения 3

1.1 Классификация методов измерения 3

1.2 Техническая реализация метода отклонений 7

1.3 Разностный метод 9

1.4 Дифференциальный метод 10

2 Лабораторная работа № 1 16

3 Лабораторная работа Контактные методы измерения 25

4 Лабораторная работа Бесконтактные методы измерения 39

Список литературы 50

Приложение А. Градуировочные таблицы стандартных термопар 51

Приложение Б Правила работы с переносным пирометром частичного

излучения «СМОТРИЧ» 53

Приложение В. Расчет поправок 54

Приложение Г. Градуировочная таблица радиационного пирометра 65

Цель работы –изучение прямого и косвенного методов измерений, разностного и компенсационного, контактного и бесконтактного методов и средств измерений, а также метода отклонения, замещения, отношения, проведение лабораторных экспериментов, представление результатов.

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ

Методом измерений называется прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с используемым принципом измерений. Положенные в основу измерений физическое явление или эффект называют принципом измерений (например, использование силы тяжести при измерении массы тела его взвешиванием) [1].

Классификация методов измерений

Методы измерений различают по различным признакам [1]:

1) по сравнению величины с единицей ─ прямые и косвенные;

2) по характеру изменения измеряемой величины во времени ─ статические и динамические;

3) по форме представления измеряемой величины ─ аналоговые и цифровые;

4) по отбору отчетов во времени ─ непрерывные и дискретные,

5) по взаимодействию с объектами измерений ─ контактные и бесконтактные.

Классификация методов, основанная на признаках сравнения измеряемой величины с единицей, воспроизводимой соответствующей мерой, представлена на рисунке 1. В ней отражены, главным образом, прямые методы [1, 2].

Метод отклонения

Метод отклонения (непосредственного отсчета) основан на том, что измеряемая (входная) величина вызывает отклонение выходной величины либо непосредственно, либо после преобразования в промежуточную величину (промежуточное отображение).

Отсутствие источников вспомогательной энергии указывает на то, что необходимая для процесса измерения энергия отбирается от объекта измерений (таблица 1). При этом неизбежно возникновение взаимных воздействий между объектом и средством измерений [1].

Дифференциальный метод

Характерной особенностью дифференциальных методов является то, что измеряемая или отображающая ее величина сравнивается с однородной (родственной ей) величиной − величиной сравнения. Если величина сравнения имеет известное постоянное значение, то выходная величина равна разности значений измеряемой величины и величины сравнения, и метод оказывается чисто разностным. Его используют, в частности, при проверке мер, например мер длины, сравнением с образцовой мерой на компараторе. При этом значения величин, воспроизводимых мерами, незначительно отличаются друг от друга.

Таблица 1 ─ Основные особенности методов измерений

	Отклонения	Разностный	Компенсационный
Принцип реализации	Непосредственное получение результата, xa=Kpxe	Определяется разность между измеряемой величиной xe (либо ее отобржением xb) и постоянной величиной сравения xv, xa=Kpv(xe-xv)=KpvD(x)	Минимизируется раность между измеряемой величиной xe (или ее отображением xb) и уравновешивающей величиной xk путем изменения xk,, xa=KpKxk при Dx= xa- xk , Dx 0
Потребность во вспомогательной энергии	Не требуется	Требуется для формирования и поддержания xv	Требуется для действия цепи регулирования и формирования xK . Соответствует значению xb в уравновешивающем состоянии
Воздействие на объект измерений	Существует	Существует	При уравновешивании становится весьма малым
Преимущества	Относительная простота, не требуется источник вспомогательной энергии, высокая надежность, низкая стоимость.	Компенсация шумов, относительно высокая чувствительность, удобство контроля за величиной сравнения.	Высокая точность, возможность автоматической коррекции погрешностей, возможность представления выходной величины в различных формах.
Недостатки	Низкая точность, подверженность внешним воздействиям.	Дополнительная погрешность при изменениях величины сравнения	Сравнительно высокие затраты на реализацию и дополнительную погрешность, обусловленная возможной нестабильностью уравновешивающей величины или неточностью ее контроля.

В измерительной технике широко распространена другая модификация дифференциальных методов ─ компенсационный или метод уравновешивания. Он заключается в том, что изменением величины сравнения разность между значениями этой величины и величины, отображающей измеряемую, сводится к нулю. При этом значение измеряемой величины соответствует установленному при уравновешивании значению величины сравнения. Последнюю обычно называют компенсирующей или уравновешивающей величиной. Уравновешивание может быть следующим, при котором, в отличие от циклического уравновешивания, значение уравновешивающей величины перед каждым отсчетом не задают определенным (например, максимальным или нулевым), а оно «следует» за изменением измеряемой величины от отсчета к отсчету.

Компенсационный метод может быть реализован как изменением уравновешивающего напряжения, так и дополнением измеряемой величины однородной ей величиной до опорной величины, значение которой равно приделу измерений.

Метод отношений

Методом отношений определяют отношение измеряемой величины к величине сравнения. Изменением значений последней можно свести это отношение к единице, т.е. к равенству обеих величин.

Метод замещения

При методе замещения измеряемая величина замещается однородной ей величиной, воспроизводимой мерой. Примером реализации метода может служить измерение емкости Cx конденсатора путем включения его в колебательный контур генератора. Изменением частоты напряжения на контуре достигают резонанса, а затем вместо измеряемого конденсатора включают образцовый конденсатор с известной переменной емкостью, настройкой которого вновь добиваются резонанса. По шкале образцового конденсатора при резонансе определяют его емкость, которая равна Cx.

Разностный метод

Чисто разностный метод осно­ван на сравнении измеряемой вели­чины или ее отображения с задан­ным значением однородной вели­чины, а выходной сигнал соответст­вующего средства сравнения пред­ставляет собой отображение откло­нения измеряемой величины от упо­мянутого заданного значения. Срав­нение указанных величин осуществ­ляет компаратор. Неконтролируе­мые изменения заданной величины сравнения приводят к неисключаемым погрешностям измерений [1].

Примером реализации чисто раз­ностного метода измерений является термопара, схематично изображен­ная на рисунок 3. Она состоит из двух проводников (или полупроводников) А и В с различной работой выхода электронов. При равенстве темпера­тур 0_О и Gj точек соединений про­водников из проводника А в про­водник В поступит за определенное время, допустим, п электронов, а обратно, за то же время, 2п элект­ронов. При температурном равно­весии термо-э.д.с. выходная величина термопары равна 0. Один из спаев термопары является рабочим. а температуру 0_о второго спая (не­рабочего, холодного) поддерживают строго постоянной.

Рисунок 3 ─ Схема действия термопары

Если темпера­тура 0₁ рабочего спая возрастет до температуры 0₂, при которой ра­бота выхода уменьшится наполови­ну, то из проводника А в проводник В поступит 2п электронов, а обрат­но – 4п электронов. В результате на выходных зажимах возникнет раз­ность потенциалов, обусловленная возникновением термо-э.д.с, вели­чина которой зависит от разности температур 0₀ и 0₂ • Нестабильность температуры 0_о предопределяет со­ответствующую погрешность изме­рений.

Шкала средства измерений мо­жет быть проградуирована как в единицах отклонения, так и в абсо­лютных значениях измеряемой ве­личины (рисунок 4).

Рисунок 4 − Примеры шкал, отградуированных в абсолютных

значениях и в единицах откло­нения измеряемой

величины

Переход от одной шкалы к дру­гой не должен представлять ка­ких-либо трудностей. К примеру, термометр со шкалой, проградуированной в градусах Цельсия, пред­ставляет собой прибор, показываю­щий отклонения температуры, так как положительные и отрицатель­ные значения температуры есть не что иное, как отклонения от 0 град.С – точки таяния льда. Если вместо 0 град.С на этой шкале указать 273 К, то будет выполняться отсчет абсолют­ных значений температуры в кельвинах.

Можно выделить следующие преимущества чисто разностного метода измерений:

1. Возможность полного исполь­зования диапазона измерений уст­ройства, так как выходной сигнал отображает отклонения в обе сто­роны от заданного значения вели­чины сравнения. При необходимости коррекции нуля ее можно осущест­вить соответствующим смещением величины сравнения.

2. Достигается взаимная авто­матическая компенсация некоторых видов помех благодаря вычитанию сигналов – измеряемого и сравнения.

Описание лабораторной работы представлено в параграфе 2.

Дифференциальный метод

Дифференциальный метод (его не следует путать с методом дифференцирования, при котором определяется скорость изменения изме­ряемой величины) требует примене­ния двух симметричных элементов, образующих устройство сравнения для определения разности. Поэтому значения вторичных сигналов ото­бражения в средствах измерения, работающих по дифференциальному (разностному) методу, удваиваются. Примером может служить диффе­ренциальный конденсатор, являю­щийся основой емкостного измери­тельного преобразователя малых перемещений ∆l в электрический сигнал. Если такой преобразователь выполнен в виде конденсатора с плоскими пластинами (рисунок 5, а) емкостью С, то его чувствительность составит

S_c = – C/(d +∆ d) ≈ – C∕d.

Дифференциальный конденсатор с плоскими пластинами схематично изображен на рисунок 5, б; его средняя пластина 2 является подвижной и связана с объектом измерений [1].

а – обычного; б – дифференциального. 1 – неподвиж­ная пластина; 2 – подвижная пластина.

Рисунок 5 ─ Схемы емкостных измерительных преобразователей

Примером реализации дифференциального метода измерения в сочетании с методом отклонений может служить следящий мембранный манометр (рисунок 6). Принцип действия мембранного манометра пояснен ранее на рисунке 2. В следящем устройстве перемещение s_p, отображающее измеряемое дав­ление p, преобразуется дифферен­циальным трансформатором в на­пряжение U_D. Обмотки этого тран­сформатора (как и сердечник) по­движны и перемещаются под воз­действием электропривода 5, снаб­женного системой передачи. Такой дифференциальный трансформатор выполняет функцию устройства сравнения перемещений s_p (отобра­жающего измеряемую величину) и s_sp (величины сравнения).

При отклонении сердечника от симметричного положения относи­тельно обмоток возникающее на­пряжение рассогласования U_D уси­ливается до напряжения U_v, которое включает электропривод. Последний при вращении через систему пере­дачи смещает обмотки дифференциального трансформатора до вос­становления их симметричного рас­положения относительно сердечни­ка. При этом ∆s = 0 (см. блок-схему сигналов на рисунке 6, б), что приво­дит к исчезновению (в пределах по­грешности) напряжения U_v, и элект­ропривод останавливается.

а – схематичное изображение; б – блок-схема сигналов. 1 – мембранный манометр; 2 – подвижные катушки дифференциального трансформатора; 3 – его неподвижные катушки; 4 – сердечник; 5 – электропривод.

Рисунок 6 ─Следящий мембранный манометр

Компенсационный метод

Метод компенсации пригоден для измерений энергозначимых величин, таких, как сила, давление, крутящий момент, различные излучения, электрическое напряжение и ток. Рассмотрим ряд примеров.

Компенсация токов (напря­жений). Такую компенсацию рас­смотрим на примере устройства контроля (рисунок 7) отклонения от заданной толщины движущегося по­лотна материала, например, бумаж­ного полотна. Контроль толщины осуществляется по поглощению материалом проникающего ионизи­рующего излучения. Сравнивается поглощение излучения образцом 4 заданной толщины и контролируе­мым материалом 1 в процессе пере­мещения последнего. Проникающее через образец и материал излучение воспринимается приемниками 5 и преобразуется в соответствующие взаимно компенсируемые токи Iv и Im . В случае отклонения толщины контролируемого материала от за­данного значения появляется раз­ность указанных токов, обра­зующая падение напряжения на ре­зисторе К. Это напряжение усили­вается до напряжения Uv , которое воздействует на электропривод (М), управляющий положением клино­вого поглотителя, находящегося в полосе ионизирующего излучения. Клиновый поглотитель, перемещаясь, уменьшает интенсивность излучения через контролируемый материал, вследствие чего возникающая раз­ность токов сводится к нулю (без учета погрешностей компенсации токов Iv и Im).

Компенсационный метод имеет следующие преимущества:

− в уравновешенном состоянии практически не отбирается энергия от источника измеряемой (или ее отображающей) величины;

− если на компенсирующую ве­личину оказывают воздействие те же влияющие величины, что и на изме­ряемую, то при компенсации эти воздействия также взаимно уравно­вешиваются и их разность сводится к нулю.

а –схематичное изображение; б – блок-схема сигналов; 1 – образец ; 2 – клиновый поглотитель; 3 – источник ионизирующего излучения; 4 – контролируемый материал; 5 – приемник излучателя.

Рисунок 7 ─ Устройство контроля толщины движущегося полотна по

степени поглощения ионизирующего излучения

Характерные особенности реали­зации рассматриваемой модифика­ции компенсационного метода рас­смотрим на примере двухканаль­ного фотометра, предназначенного для определения концентрации ком­понентов жидкой многокомпонент­ной среды. Схема фотометра приве­дена на рисунке 8. Излучение источ­ника 1 при помощи оптики (на схеме не показана) подводится к двум кю­ветам сравнительной 2 и измери­тельной 3. В сравнительной кювете помещается образцовое вещество с максимально возможной концент­рацией С анализируемого компо­нента. Интенсивность излучения (опорная интенсивность) на выходе кюветы или его ослабление постоян­ны и однозначно определяются кон­центрацией этого компонента. В измерительной кювете нахо­дится исследуемое вещество. Так как концентрация с анализируемого ком­понента в измерительной кювете меньше, то интенсивность из­лучения на выходе измерительной кюветы оказывается выше опорной интенсивности излучения на выходе сравнительной кюветы. Соответст­вующие токи фотоприемников 4указанных излучений − опорного и измеряемого − сравниваются компа­ратором 5; их разность усиливается и воздействует на двигатель М, ро­тор которого поворачивает заслонку 6, перекрывающую фотопоток на выходе измерительной кюветы. По­ворот ротора происходит до уста­новления равенства интенсивностей обоих излучений на входах соот­ветствующих фотоприемников. Одновременно вращение ротора двигателя передается движку потен­циометра 7, к которому подключен прибор, показывающий значение измеряемой величины, разности концентраций которой определяют искомую концен­трацию с.

1−источник света; 2− сравнительная кювета; 3−из­мерительная кювета; 4− фотоприемник; 5 −компа­ратор; 6− заслонка; 7− потенциометр.

Рисунок 8 − Схема двухканального фотометра, предназначенного для

измерений концентра­ции компонентов в жидких смесях

В отличие от предыдущего при­мера − устройства контроля толщи­ны полосы материала − в рассмот­ренном фотометре изменяется не опорное излучение, а измеряемое − до его уравновешивания с опорным.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

Цель лабораторной работы – изучение разностного и компенсационного методов и средств измерения, проведение лабораторного эксперимента по исследованию влияния температуры свободных концов термопары на термо-ЭДС.

Основные понятия

Одним из основных параметров, определяющих ход металлургичес­ких процессов, является температура. Работа печных агрегатов характеризуется температурой металла, шлака, топлива, защитной атмосферы, дымовых газов, кладки, а также других сред и элементов рабочего пространства. От точного и надежного измерения данной величины в значительной мере зависит эффективность функциониро­вания АСУ ТП. Многообразие задач предопределило появление большого числа различных методов и средств контроля температуры [3] .

Тепловое состояние тела (степень его нагретости) определяется средней кинетической энергией поступательного движения молекул данного тела. Следовательно, и температура, характеризующая тепло­вое состояние физического объекта, является статистической величи­ной, поэтому ее измерение имеет смысл только в телах, состоящих из достаточно большого числа молекул.

Разный уровень температур двух тел, находящихся в контакте, определяет направление теплопередачи: тело с более высокой темпе­ратурой отдает свою внутреннюю энергию телу с более низкой темпе­ратурой до тех пор, пока их температуры не станут равными.

Таким образом, температура тела − параметр состояния, который определяет направление передачи тепловой энергии. Измерить темпе­ратуру непосредственно, как плотность или линейные размеры, невозможно, поэтому температуру определяют косвенно, по изменению физических свойств различных тел, получивших название термометрических, например, объемное расширение, изменение электрических свойств: электрической проводимости, термоэлектродвижущей силы (т.э.д.с.) и т.п.

Термоэлектрические термометры

Для измерения температуры в металлургии наибольшее распро­странение получили термоэлектрические термометры, работающие в диапазоне температур от -200 до 2500 град.С и выше. Данный тип устройств характеризуют высокая точность и надежность, возможность использования в системах автоматического контроля и регулирования параметров, в значительной степени определяющих ход технологического процесса в металлургических агрегатах.

Устройство термоэлектрических термометров

Термоэлектрический термометр (ТТ) – это измерительный преобразователь, чувствительный элемент которого (термопара) расположен в специальной защитной арматуре, обеспечивающей защиту термоэлектродов от механических повреждений и воздействия измеряемой среды.

На рисунке 10 приведена типовая конструкция термоэлектрического термометра. Термоэлектроды 10 по всей длине изолированы друг от друга керамическими изоляторами 9. Концы термоэлектродов сварены между собой и образуют горячий спай 11. Свободные концы термоэлектродов подсоединяются к контактам колодки 5. Термоэлектроды и контактные зажимы помещены в защитную арматуру 8. Для обеспечения виброустойчивости они засыпаны безводной окисью алюминия и герметизированы эпоксидным компаундом 7. К контактным зажимам колодки подсоединены компенсационные провода, которые выводятся из головки термометра через сальниковое уплотнение 3 со штуцером 2. Водозащитная головка термометра 6 закрыта крышкой 4. Сальниковый ввод головки допускает использование кабеля наружным диаметром до 11 мм. Горячий спай термопары изолирован от защитной арматуры керамическим наконечником 1. Инерционность термоэлектрического термометра составляет 20 −120 с.

I − для одинарных термопар; II − для двойных термопар; 1− керамический наконечник; 2 − штуцер; 3 − сальниковое уплотнение; 4 − крышка; 5 − колодка; 6 − водозащитная головка термометра; 7 − эпоксидный компаунд; 8 − защитная арматура; 9 − керамические изоляторы; 10 − термоэлектроды; 11 − горячий спай. Рисунок 10 − Конструкция термоэлектрического термометра типа ТХА/ТХК

Сущность термоэлектрического метода заключается в возникновении электродвижущей силы (ЭДС) в проводнике, концы которого имеют различную температуру. В зависимости от величины перепада температур и природы проводника (состав, физическое состояния) величина ЭДС колеблется в значительных пределах [3].

Принцип действия термопары основан на эффектах Томсона и Зеебека. Эффект Томсона заключается в том, что если проводник, обладающий электронной проводимостью, нагрет по своей длине неравномерно, то на его нагретом конце повышается концентрация свободных электронов, которые диффундируют к холодному концу. При этом горячий конец заряжается положительно, а холодный отрицательно. Если замкнутая цепь состоит из двух различных проводников Х и Y, то т.э.д.с. Томсона в такой цепи равна разности т. э. д. с., возникающих в каждом проводнике, в зависят от температуры спаев t и t0 (t≠ t0).

Эффект Зеебека проявляется в том, что в спаях различных проводников Х и Y возникают контактные разности потенциалов, вызванные диффузией свободных электронов из проводника, где их концентрация больше.
Общая т. э. д. с., обусловленная эффектами Томсона и Зеебека, является функцией температур t и t0 и зависят от физической природы проводников Х и Y. Она может быть записана при обходе контура термопары против часовой стрелки в виде

, (1)

где Еxy (tt₀) − общая т.э.д.с, термопары;

e_XY (t) и e_yx(t₀) − т.э.д.с., вызванные эффектами Томсона и Зеебека.

Если t=t₀, то Е_XY (tt₀) = 0 и тогда

e_xy (t₀) + e_yx (tt₀)=0или e_yx (t₀ ) = -e_xy (t₀ ) (2)

Подставляя это равенство в формулу (1), получим выражение т.э.д. с. термопары в виде:
Е_XY(tt₀) = е_XY(t)- е_XY(t₀). (3)

Из выражения (3) видно, что т. э. д. с. термопары есть функция двух температур рабочего и холодного спаев, т. е. Е_XY = f(tt₀ ). Эту зависимость можно использовать на практике, если поддерживать постоянной , тогда
Е_XY (tt₀) = f(t).

Таким образом, если для данной термопары экспериментально найдена зависимость f(t), то измерение неизвестной температуры сводится к определению т. э. д. с. с помощью измерительного прибора. Его включение в цепь термопары приводит к появлению там третьего проводника Z. При обходе контура против часовой стрелки получим:

Е_XYZ (tt₀t₀)= e_XY (t) +e_YZ(t₀) (4)
Если t=t₀ , то E_XYZ(t₀ t₀ t₀ )=0и е_XY(t₀) + e_YZ(t₀)+e_ZX(t₀)= 0,

e_YZ(t₀)+e_ZX(t₀)= —е_XY(t₀). (5)
Подставляя это равенство в формулу (4), получим

E_XYZ(tt₀t₀)=e_XY(t)- e_XY(t₀),

что точно совпадает с выражением (3) для термопары из двух термоэлектродов Х и Y. Таким образом, включение третьего проводника Z в разрыв холодного спая при условии, что концы этого проводника находятся при одинаковой температуре t₀ не влияет на общую т. э. д. с. термопары, т. е.

E_XYZ(tt₀t₀)=E_XY(tt₀).

Термопары, как правило, градуируются при температуре холодного спая t₀= 0 °С. действительная же температура холодного спая термопары может быть постоянной t^’₀= const, но отличаться от 0°С, Поэтому для нахождения действительной температуры горячего спая t необходимо вводить поправку, которую находят следующим образом.

Пусть t^’₀ = const и t^’₀>t₀, тогда Е_XY (tt₀)> Е_XY (tt^’₀) и, следовательно,
Е_XY (tt₀)- Е_XY (tt^’₀)= е_XY (t) - е_XY (t₀)- е_XY (t)+ е_XY (t^’₀) = е_XY (t^’₀) - е_XY (t₀)= E_XY(t^’₀t₀)

Таким образом, с учетом поправки истинная т. э. д. с. термопары будет равна:
Е_XY (tt₀) = Е_XY(tt^'₀)± E_XY(t’₀t₀), (5)
где знак плюс относится к случаю, когда t’₀ > t₀, а минус − к случаю, когда t’₀< t₀ .
Повышение температуры свободных концов ТТ приводит к уменьшению перепада температур, снижению т.э.д.с. термопары и появлению погрешности измерения, которую исключают введением соответствующей поправки.

Пример. Термоэлектрический термометр ТХА измеряет температуру в печи в комплекте с потенциометром. При градуировке ТХА температура свободных концов принималась 0 ^oC в условиях измерения она составила t'₀ =50 ^oC. Сигнал, измеренный потенциометром, Е_XY(t,50)=40,98 мВ, что соответствует температуре 993 ^оС. Величина поправки может быть определена либо по градуировочной кривой (см. рисунок 11), либо по таблице: Е_XY(50,0)=2,02 мВ.

Е_XY (t,0)= Е_XY(t,50)+ Е_XY(50,0)=40,98+2,02=43,00 мВ,

что соответствует температуре рабочего спая t= 1044 ^oC.

t= 1044 oC

Рисунок 11−Градуировочные характеристики термопар

Для исключения влияния изменения температуры концов ТТ в технике измерения пользуются двумя способами:

1) эвакуацией свободных концов из зоны непосредственного измере­ния с помощью компенсационных проводов;

2) стабилизацией темпе­ратуры свободных концов с помощью термостатов.

Наибольшее распространение получил первый способ как более на­дежный и экономичный. Термостатировать головку термометра очень трудно из-за изменяющихся условий теплообмена с окружающей сре­дой. Поэтому свободные концы термопары стремятся удалить как мож­но дальше от агрегата в такое место, где можно установить термо­стат. Однако для благородных термопар удлинение термоэлектродов невозможно, так как это приведет к значительному перерасходу платины. Необходимо отметить, что провода, выводимые из головки ТТ_, работают при температурах, не превышающих 80-90 °С. Следова­тельно, соединительные провода для исключения паразитных т.э.д.с. должны иметь в интервале температур от 0 до 100 ^оС такие же термоэлектрические ха­рактеристики, как и термопара ТТ, что позволяет перенести свободные концы термометра непосредственно к измеритель­ному прибору. На рисунке 12 представлена принципиальная схема комплекта для из­мерения температуры,t включающего: тер­мопару с электродами Х и Y, удлинитель­ные (компенсационные) провода А₁ и В₁ , медные провода Си измерительный при­бор ИП (например, автоматический потенциометр, милливольтметр, цифровой вольтметр) либо это может быть информационно-измерительная система или информационно-вычислительный комплекс.

Рисунок 12−Принципиальная схема соединений комплекта для измере-

ния температуры с помощью термопары

Для повышения чувствительности таких термометров иногда объединяют последовательно несколько термопар в термобатарею (рисунок 13, б). При этом рабочие концы всех термопар находятся при температуре исследуемого объекта θ₁ , а свободные — при постоянной (или известной) температуре θ₂ . Суммарная выходная термоЭДС, естественно, будет равна сумме термоЭДС отдельных ТП.

а − возникновение термоЭДС; б − термобатарея;

в − дифференциальная тер­мопара

Рисунок 13 −Термоэлектрические преобразователи (термопары)

Для нахождения разности температур двух объектов применя­ются так называемые дифференциальные термопары, которые состоят из двух встречно включенных ТП (рисунок 13, в). Рабочие концы ТП имеют разную температуру (θ_А и θ_Б), а свободные — одинаковую θ₂. В результате выходное напряжение пропорционально разности температур.

В соответствии с общепринятой международной классифика­цией термоэлектрические преобразователи (термопары) подраз­деляются на несколько типов в зависимости от применяемых ма­териалов и характеристик. Характеристики некоторых основных типов ТП приведены в таблице 2.

Таблица 2 − Основные характеристики некоторых типов термопар

Тип ТП	Материал ТП	Диапазон измерения (кратковремен­ный), град С	Коэффициент преобразования при20°С, мкВ/ °С
Е	Хромель — константан	-270… + 1000
J	Железо — константан	-210…+1000 (1200)
К(ТХА)	Хромель — алюмель	-200…+1000 (1372)
R (ТПП)	Платина — платинородий (13% родия)	-50…+1500 (1700)
S (ТПП)	Платина — платинородий (10% родия)	-50…+1600 (1768)
Г(ТМК)	Медь — константан	-270…+400 (400)
О (ТПР)	Платинородий (30% родия)— платинородий (6% родия)	+300…+1600 (1800)	-
L(ТХК)	Хромель-копель	-200…+600 (800)
М (ТВР)	Вольфрам - рений	0…+2200 (2500)
(ТВМ)	Вольфрам - молибден	+1250…+2000 (2000)

Выбор материалов термоэлектродов в значительной степени определяется уровнем температуры и агрессивным воздействием измеряемой среды. Платина и ее сплавы с родием хорошо работают в окислительной и нейтральной средах, вольфрам, молибден, рений и их сплавы – в вакууме, нейтральной и восстановительной средах. Науглероживание проволоки искажает термоэлектрическую характеристику платины и приводит к погрешностям в измерении. Значительный опыт эксплуатации различных термопар привел к тому, что в настоящее время количество применяемых в технике измерения материалов невелико.

Отметим, что в России приборостроительными фирмами ТП типа Е и J не выпускаются.

Графическая иллюстрация характеристик основных типов ТП приведена на рисунке 10. Наглядно видно, какие типы обеспечивают наибольший диапазон измерения, максимальную чувствительность или наилучшую линейность.

В практике типовых температурных измерений чаще всего используются ТП трех типов: J, К, Т. Термопары типа J имеют минимальную стоимость, высокую чувствительность, умеренную точность, но не могут (не долж­ны) использоваться длительное время при экстремальных темпе­ратурах (выше 1 000 °С), так как нарушается их градуировочная ха­рактеристика.

Термоэлектрические термометры выпускают двух видов: погружаемые и поверхностные. У последних рабочий спай приводится в непосредственный контакт с измеряемой поверхностью. Приборостроительная промышленность изготовляет устройства различных модификаций, отличающихся: по значению и условиям эксплуатации, по материалу защитного чехла, по способу установке термометра в точке измерения, по герметичности и защищенности от действия окружающей среды, по устойчивости к механическим воздействиям, по степени тепловой инерционности т.п.

Цифровой термометр

Рассмотрим один из наиболее распространенных вариантов устройства цифрового термометра (ЦТ), входным датчиком кото­рого является термопара (ТП).

На рисунке 14 приведена упрощенная структура контактного ЦТ, которая напоминает структуру любого цифрового измерительно­го прибора.

Термопара подключается к входу усилителя, назначение кото­рого поднять уровень входного сигнала с единиц-десятков мил­ливольт до единиц вольт. Аналого-цифровой преобразователь пре­образует усиленный сигнал ТП в цифровой код, пропорциональный уровню термоЭДС и, следовательно, значению измеряемой температуры. В автономных ЦТ, как правило, применяются АЦП, использующие интегрирующие методы преобразования, обеспе­чивающие высокие точность, чувствительность, разрешающую способность, высокое подавление периодических помех общего и нормального вида, уровень которых может быть значительным. Выходной код аналого-цифрового преобразователя (АЦП) запоминается (и затем некоторое время хра­нится) в регистре и выводится на цифровой индикатор (цифро­вое отсчетное устройство). Микропроцессорный контроллер уп­равляет работой всех узлов прибора. С помощью клавиатуры опера­тор задает режимы работы. В структуре прибора может присутствовать интерфейс для обмена информацией с внешними цифровыми устройствами (например, для передачи результатов регистра­ции в персональный компьютер и (или) в систе