Контактный метод измерения температуры

Контактные методы и средства измерений применяются для измерения температур в диапазоне от значений, близких к абсолютному нулю, до 1500^оС. В отдельных случаях, исполь­зуя термопреобразователи из тугоплавких материалов или квази­контактный метод измерения, при котором термопреобразователь на короткое время помещается в измеряемую среду, можно повысить верхний предел измерений до 2500 – 3000^оС.

Из контактных методов измерений наиболее широкое примене­ние получили термоэлектрический и терморезистивный методы. Другие контактные термометрические методы главным образом используются при научных исследованиях или для воспроизведения температурной шкалы. Термоэлектрические и терморезистивные термометры широко применяются для изме­рения температуры в производственных условиях, при научных исследованиях, а также в метрологической практике для воспроиз­ведения МПТШ в диапазоне 4,2-1337,58К. Достоинства этих ме­тодов и соответствующих средств измерений заключаются в их простоте, надежности, низкой стоимости и возможности получе­ния высокой точности измерений. Кроме того, используя контакт­ные методы, можно легко создать многоканальные измеритель­ные системы для непрерывного измерения параметров темпера­турного поля сложных объектов, в том числе при высоких давлениях и в труднодоступных местах.

Для расширения области применения терморезистивного и термоэлектриче­ского методов разработаны преобразователи, которые дают возможность увеличить диапазон измерений этих методов как в область сверхнизких, так и в об­ласть высоких температур. Для точных измерений температур от 10 до 2000 К наиболее широко используются платиновые термометры сопротивления (ТC), которые характеризуются широким диапазоном измерений, высокой точностью, стабильностью характеристик во времени и наличием стандартных градуировоч­ных таблиц вплоть до 13,8 К.

Базовым термопреобразователем для измерения низких температур явля­ется преобразователь ТСП-4054, погрешность которого не более ±0,02 К при градуировке в четырех точках. Недостаток платиновых ТС - резкое уменьшение чувствительности в области сверхнизких температур.

Разработаны терморезисторы на основе платины и сплава платины с ре­нием с легирующими добавками кобальта и железа. Терморезистор на основе сплава платины с кобальтом позволяет измерять температуру в диапазоне 2-­300 К с погрешностью 0,01-0,5 К. Для измерений сверхнизких температур и при действии сильных магнитных полей можно использовать ТС из сплава константана с манганином, имеющий температурный коэффициент 1,5·10^-3 K^-1, ТС из золота с 0,4% марганца и платины с 3% мар­ганца. Электрическое сопротивление таких ТС мало зависит от магнитного поля.

В диапазоне температур 1,5-300 К широко применяются полупроводниковые ТС из германия с легирующими приме­сями. Эти ТС отличаются высокой чувст­вительностью при низких температурах и малой зависимостью сопротивления от маг­нитного поля. В диапазоне температур 1-100 К используются полупроводниковые ТС и диоды из арсенида галлия.

Для измерения температуры ниже 1 К наиболее пригодны угольные и гра­фитовые ТС. Угольные ТС могут работать в сильных магнитных полях. При этом во избежание самонагрева ТС подаваемая в терморезистор мощность не должна превышать 10^-14 Вт. Поэтому необходимо применять высокочувстви­тельные измерительные цепи.

Новой приборной реализацией терморезистивного метода является ионный термометр, основанный на зависимости сопротивления ионных кристаллов от температуры. Вид такой зависимости представлен на рисунке 1.1. Диапазон изме­ряемых температур находится между температурами Т₁ и Т₂, соответствующими границам восходящего участка с точкой плавления а. Ионный термометр используется для измерения температур от 200 до 700^оС в ядерных реакторах.

Рисунок 1.1 – График зависимости ионных кристаллов от температуры

Термоэлектрические термометры (ТТ) обеспечивают высокую точность измерения, особенно при использовании благородных металлов, способных работать при высоких температурах - до 2500^оС, а также без дополнительных источни­ков питания. Непрерывно ведутся работы по созданию новых комбинаций мате­риалов для изготовления термоэлектрических преобразователей.

Серийно выпускаемые термопреобразователи платинородий (30%) - плати­нородий (6 %) дают возможность измерять температуру до 1600^оС и кратковре­менно до 1800^оС, а преобразователи вольфраморений (5%) - вольфраморений (20%) - до 2200^оС и кратковременно до 2500^оС. Наибольший верхний предел измерения имеют термоэлектрические термометры с термопарами на основе кар­бидов металлов (титан, ниобий, цирконий) и углеродистых или графитовых во­локон. Термопары графит - карбид титана и графит - цирконат бора (C-ZrВ₂) могут работать до температур 2500-3000^оС.

При использовании термоэлектрического и терморезистивного методов задача измерения температуры сводится к точному из­мерению соответственно ЭДС в диапазоне 0,1-200 мВ или сопро­тивлений от долей Ома до десятков и сотен Ом. Эти задачи успешно решаются применением современных средств измерений указанных величин. Использование серийно выпускаемых измери­тельных усилителей и автоматических регистрирующих мостов и компенсаторов с улучшенными характеристиками, цифровых мил­ливольтметров, преобразователей сопротивления в цифровой код, а также микропроцессорных устройств для коррекции погрешно­стей термопреобразователей обеспечивает создание средств изме­рений температуры с весьма низкими инструментальными по­грешностями (0,1-0,5%). Так, известны цифровые термоэлек­трические термометры с разрешающей способностью 0,1 К, имею­щие основную погрешность ±1% в диапазоне 4-2000 К и ±0,2% в диапазоне 73-2000 К.

При воспроизведении МПТШ применяются образцовые термо­метры, обеспечивающие измерение температуры между реперными точками с погрешностью ±0,001%. Однако даже при ис­пользовании точных приборов погрешности измерений темпера­туры могут достигать больших значений из-за наличия методи­ческих погрешностей, обусловленных самой сутью и принципиаль­ными особенностями контактных методов измерений температуры. Главное заключается в том, что все контактные методы основаны на преобразовании в сигнал измерительной информации какого-­либо термометрического свойства термопреобразователя, а не объекта исследования.Поэтому все средства измерений, основан­ные на этих методах, принципиально измеряют температуру тер­мопреобразователя (вернее, его чувствительного элемента), ко­торая в общем случае не равна температуре объекта.

Кроме того, при контактных методах измерений температуры существенное значение имеет погрешность, обусловленная взаи­модействием объекта и средства измерения, особенно если послед­нее используется только для периодических измерений и не яв­ляется штатным прибором данного объекта. При помещении термопреобразователя в исследуемую среду или у поверхности объекта заведомо нарушается их температурное поле как за счет собственного потребления (или отдачи) тепловой энергии термо­преобразователем, так и за счет теплообмена между объектом и окружающей средой через термопреобразователь.

Особенности контактных методов обусловливают также ряд других погрешностей, часть которых является общей для всех контактных методов, а другие свойственны отдельным методам. Так, терморезистивному методу свойственны методические погрешности, обусловленные нагревом термопреобразователя про­ходящим через него током, влиянием сопротивления линии, неста­бильностью сопротивления преобразователя и т. д., а термоэлек­трическому - погрешности от нестабильности температуры сво­бодных концов термопары, влияния постоянных магнитных полей и других факторов.

Общими для всех контактных методов являются погрешности, обусловленные недостаточным тепловым контактом между пре­образователем и объектом исследования, теплообменным излучением между термопреобразователем и окружающими его телами, температура которых отличается от измеряемой, паразитным теп­лообменом между объектом и окружающей средой за счет тепло­проводности термопреобразователя, дополнительным нагревом термопреобразователя при торможении высокоскоростного потока газа, собственным потреблением (или отдачей) тепловой энергии термопреобразователем при помещении его в среду измерения и др.

При измерении температуры контактными методами в первую очередь должна быть обеспечена хорошая теплопередача от объ­екта к термопреобразователю, что особенно важно при измерении температуры поверхности твердых тел, а также газов и пара при малых давлениях и скоростях течения.

При измерении температуры твердых тел рабочий спай тер­мопары лучше всего приклеивать или приваривать к поверхности объекта. Если термопреобразователь прижимается к поверхности, то теплопередачу можно улучшить при помощи металлической пластинки, укрепленной на рабочей части термопреобразователя.Материал пластинки должен иметь такой же коэф­фициент излучения, что и материал объекта исследования, чтобы излучение в окружающую среду было таким же, как при отсут­ствии термопреобразователя. Для измерения температуры выпук­лых поверхностей применяются ленточные термопреобразователи, у которых термопара выполняется из двух тонких лент, которые при прижатии к объекту принимают форму его выпуклой поверхности.

При измерении температуры движущихся сред для улучшения теплообмена термопреобразователь должен хорошо обтекаться исследуемой средой, поэтому он обычно располагается там, где скорость течения наибольшая. При малых скоростях газовых по­токов для увеличения теплообмена используются отсасывающие термопреобразователи, скорость газа у которых искусственно уве­личивается при помощи насоса (эжектора). При большой ско­рости газовых потоков (v>50м/с) возможен дополнительный на­грев термопреобразователя за счет частичного торможения по­тока. Если поток газа полностью затормозить без теплообмена с окружающей средой, то температура газа повысится на ΔТ=v²/(2C_p),где v - скорость газа; Ср-удельная теплоемкость газа при постоянном давлении. В реальных условиях вследствие неполного торможения потока газа и других причин погрешность обычно меньше значения, определяемого этим уравнением. Для уменьшения этой погрешности применяются обтекаемые термо­преобразователи, в которых скорость газа у термочувствитель­ного элемента уменьшается за счет применения цилиндрических или шарообразных наконечников с отверстиями.

Погрешность за счет собственного потребления тепловой энер­гии термопреобразователем имеет место, если термопреобразова­тель вносится в исследуемую среду только на время измерения, и ее нет при стационарной установке преобразователя. Эта по­грешность особенно проявляется при измерении температуры ма­лых объектов. Ее значе­ние пропорционально от­ношению теплоемкостей термопреобразователя и объекта исследования и разности их начальных температур. Эту погреш­ность можно уменьшить, если температуру термо­преобразователя предва­рительно приблизить к температуре объекта ис­следования.

Погрешность от паразитного теплообмена ме­жду объектом исследования и окружающей средой через термо­преобразователь зависит от конструкции и свойств термопреобра­зователя, способа его монтажа и от характеристик объекта исследования. Эта погрешность может достигать больших зна­чений при измерении температуры поверхностей твердых тел, а также газов и пара при малых давлениях и скоростях течения. Так, например, при измерении температуры поверхности из хо­рошо теплопроводящего материала при помощи термопары эта погрешность составляет 3% при диаметре термоэлектродной про­волоки 1 мм и 1% при диаметре 0,1 мм, если припаянные к по­верхности в точке измерения термоэлектродные проволоки вы­ведены перпендикулярно поверхности.Погрешность может быть еще больше, если термопара прижимается концом к объекту, особенно если поверхность шероховатая или из плохо теплопроводящего материала. Рассматриваемая погрешность мо­жет быть снижена, если термоэлектроды укрепить вдоль изо­термы. Еще лучшие результаты можно получить, если термопару уложить в пазили рабочий конец термопары зачеканить цилиндрическим штифтом в неглубокое отверстие в объекте.

Как недостаток контактных методов можно отметить относи­тельно большие динамические погрешности, обусловленные значи­тельной тепловой инерционностью термопреобразователей, посто­янные времени которых составляют 10-60 с и более. Другими недостатками являются ограниченный сверху предел измерения (1500-2500^оC), трудности при измерении температуры подвиж­ных объектов, а также нарушение теплового и технического со­стояния исследуемой поверхности. От этих недостатков свободны пирометрические и спектрометрические методы измерений темпе­ратуры.