Методы и средства контактных электроизмерений температуры (стр. 1 из 8)

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.

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 Q_ТС 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 Q_эл, создаваемого в результате выделения в нем электрической мощности, и количества тепла Q_то, 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 Θ₁ одного места соединения сделать отличной от температуры Θ_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:

E_AB(Θ₁,Θ₀) = f(Θ₁) ‑ f(Θ₀).

Подобная цепь называется термоэлектрическим преобразова . телем или иначе термопарой; проводники, составляющие термопару, — термоэлектродами, а места их соединения — спаями.

Рис. 1 Рис. 2

При небольшом перепаде температур между спаями термо-э. д. с. можно считать пропорциональной разности температур: E_AB = S_ABΔΘ.

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 π_AB и равна q_AB = π_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 Θ к резервуару с температурой Θ₀.

К.п.д. термоэлектрического генератора зависит от разности температур и свойств материалов и для существующих материалов очень мал (при ΔΘ = 300° не превышае η = 13%, а при ΔΘ = 100° значение η = 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 Θ₁, подлежащей измерению, а температуру Θ₂, других, нерабочих, спаев поддерживать постоянной, то f(Θ₀) = const и

E_AB(Θ₁,Θ₀) = f(Θ₁) – C= f₁(Θ₁).

независимо от того, каким образом произведено соединение термоэлектродов (спайкой, сваркой и т. д.). Таким образом, естественной входной величиной термопары является температура Θ₁ ее рабочего спая, а выходной величиной — термо-э. д. с., которую термопара развивает при строго постоянной температуре Θ₂ 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 Θ₁ = 100° С и температуре нерабочих спаев Θ₂ = 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 э.д.с., мВ	Материал	Термо э.д.с., 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
Медь	+0,76	Сплав (60%Au+30% Pd+10%Pt)	‑2,31
Золото	+0,75	Константан	‑3,4
Цинк	+0,75	Копель	‑4,5
Серебро	+0,72	Пирит	‑12,1
Иридий	+0,65	Молибденит	‑69 ÷ ‑104
Родий	+0,64
Сплав (90% Pt+10% Rh)	+0,64

При пользовании данными таблицы следует иметь в виду, что развиваемые термоэлектродами термо‑э.д.с. в значительной степени зависят от малейших примесей, механической обработки (наклеп) и термической обработки (закалка, отжиг).