Вимірювальні канали контрольно-вимірювальних систем в екології (стр. 2 из 5)
З провідникових матеріалів широко застосовується платина. Цей благородний метал навіть при високих температурах і окисному середовищі не змінює своїх фізичних і хімічних властивостей. Температурний коефіцієнт опору в діапазоні 0... 100 0С становить приблизно 1/273 град -1, питомий опір при при 20 0С дорівнює 0,105 Ом/мм2/ м, діапазон перетворювальних температур – –260…+ 1300 0С. Температурна залежність опору платини в діапазоні 0... 6500 С описується рівнянням Календарі:
RT = R0 (1+ AT+ BT2), (1.2.1)
де RT , R0 – опори перетворювача при температурі Т і 00С; А і В сталі коефіцієнти (для платинового дроту, який застосовується в промислових термоперетворювачах температур А = 3,9702* 10-3 1/К, В = – 5,8893*10-7 1/ К2 ). До недоліків платинових перетворювачів температури належать досить висока забруднюваність платини при високих температурах парами металів (особливо заліза), порівняно невисока хімічна стійкість у відновному середовищі, внаслідок чого вона стає крихкою, втрачає стабільність характеристик.
Мідь, внаслідок низької вартості і досить високої стійкості до корозії, широко застосовують в перетворювачах температури в діапазоні -50...+1800С. Температурний коефіцієнт опору міді:
RT = R0 (1 +
TT).(1.2.2)До недоліків мідних перетворювачів температури належать висока окислюваність під час нагрівання, внаслідок чого вони застосовуються у вказаному, порівняно вузькому діапазоні температур у середовищах з низькою вологістю і при відсутності агресивних газів[4].
Тугоплавкі метали – вольфрам, молібден, тантал і ніобій – застосовуються обмежено. Вплив рекристалізації та росту зерен в результаті дії температури робить чутливий елемент з цих матеріалів крихким і тому дуже чутливим до механічних вібрацій.
Терморезистивні перетворювачі температури, що називають стандартом термоперетворювачами опору (ТО), бувають трьох основних різновидів: з платиновим (ТОП), мідними (ТОМ) та нікелевим (ТОН) чутливим елементами і призначені для перетворення температури в діапазоні -260 ...1100 0С.
Основними причинами похибок терморезистивних перетворювачів температури є неточність підганяння і відхилення від номінального, а також нестабільність цих параметрів у часі. Перевагами напівпровідникових термоперетворювачів є малі габарити, мала інерційність. Про те вони поступаються провідниковим в точності[5].
1.3 Термомагнітний перетворювальний елемент
Метод заснований на залежності магнітної сприйнятливості парамагнітних речовин або ядерної магнітної сприйнятливості від температури. Відповідно до закону Кюрі – Вейса магнітна сприйнятливість назад пропорційна абсолютній температурі:
х = С/(Т + а +
/T), (1.3.1)де С – коефіцієнт, пропорційний константі Кюрі, індуктивності вимірювальної котушки і факторові заповнення котушки зразком; а – поправка, що залежить від форми зразка, щільності і взаємодії іонів;
- поправка, що враховує штарковське розщеплення і диполь-дипольна взаємодія.При використанні термомагнітного методу вимірюваною величиною є магнітна сприйнятливість парамагнітних солей або ядерна магнітна сприйнятливість металів, наприклад міді або платини. Вимір магнітної сприйнятливості парамагнітних солей звичайно виробляється шляхом виміру індуктивності або взаємної індуктивності котушки із сердечником з термометричної речовини. Перевагами методу є відсутність систематичних погрішностей, властивих газовому й акустичному методам, висока чутливість, що росте зі зниженням температури (при 2 мК поріг чутливості складає 1
10 -4мК), висока відтворюваність у порівнянні з іншими методами вимірів термодинамічної температури.Термомагнітний метод в основному застосовується при вимірі температур
10 -3 – 4 К. Як термометричну речовину використовуються монокристали нітрату церію-магнію, сульфат амонію-марганцю (1,8 – 4К), нітрат церію-лантану-магнію для температур нижче 2 мК.
Для вимірювання температури в діапазоні 0,001—0,3 К в якості термометричної речовини використовуються метали (мідь, платина), для яких методом ЯМР визначається залежність ядерної магнітної сприйнятливості
від абсолютної температури Т: = Ng2 
I(I+1)/(3kT) (1.3.2)де N — число ядер в одиниці об'єму; g — фактор магнітного розщеплення (g-фактор);
— ядерний магнетон; I— спин ядра; k — постійна Больцмана.Значення кявизначаються по сигналі ЯМР, амплітуда якого лінійно залежить від ядерної магнітної сприйнятливості і, отже, від 1/Т, оскільки усі величини у рівнянні, крім хя і Т, є фізичними константами [6].
1.4 Термочастотний перетворювальний елемент
Вимірювання температури термочастотними методами засновано на використанні залежності від температури частоти власних коливань різного роду резонаторів, швидкості поширення звукових і ультразвукових коливань з терморезистором. Найбільш розвинуті резонансні термочастотні методи, засновані на застосуванні резонансних датчиків, що являють собою автогенератори або генератори зі змушеними коливаннями, частота яких настроюється в резонанс із частотою власних коливань резонатора, що змінюється з температурою[8].
Для виміру температури застосовуються механічні (твердотільні), газові і ядерні резонатори. Характеристика перетворення температури в частоту в таких резонаторів нелінійна. Рівняння перетворення термометрів з резонаторними перетворювачами на робочій ділянці характеристики можна представити у вигляді полінома:
f= f0
, (1.4.1)де коефіцієнти
и у вибираються в залежності від виду і характеристик резонаторів. При використанні кварцових резонаторів похибка лінійності досить незначна. В інших випадках для лінеаризації характеристики приладу необхідні додаткові пристрої з функціональними перетворювачами. Розвиток мікропроцесорної техніки дозволяє створювати точні частотні термометри з похибкою лінійності не більш 10-5.1.5 Пірометричний перетворювальний елемент
Пірометричні методи вимірювання температури охоплюють широкий діапазон температур – від 173 до 6000 К, що включає в себе низькі, середні і високі температури. Ці методи засновані на визначенні параметрів теплового випромінювання об'єкта без порушення його температурного поля. Теплове випромінювання являє собою електромагнітне випромінювання, порушуване тепловим рухом атомів і молекул у твердих, рідких і газоподібних речовинах. При температурах вище 4000 К випромінювання викликається процесами дисоціації й іонізації[9].
Частіше застосовуються пірометри порівняння, в яких густина випромінювання об’єкта вимірювань порівнюється з випромінюванням еталону в видимій частині спектру. Спектральний пірометр (пірометр порівняння) зображений на рис. 1.4 (Додаток А). [10]
Теорія пірометричних методів вимірювання температури заснована на законах, що встановлюють зв'язок між випромінюванням абсолютно чорного тіла (АЧТ) і його температурою. Абсолютно чорним тілом називається тіло, що поглинає все падаюче на нього випромінювання і відповідно здатне при даній температурі випромінювати максимальну енергію. Добрим наближенням до АЧТ є закрита з усіх боків порожнина з малим отвором, площа якого мала в порівнянні з загальною поверхнею порожнини.
Закон Планка встановлює зв'язок між абсолютною температурою і спектральним розподілом потоку випромінювання АЧТ:
М
0=С1 -5(еС/( Т)– 1)–1, (1.5.1)де М
0 – спектральна щільність потоку випромінювання АЧТ, тобто енергія, випромінювана в одиницю часу одиницею площі поверхні випромінювача, що приходиться на одиницю діапазону довжин хвиль; С1 = 2 
c2h=3,741832.10-16 Вт м2; C2=ch/k = 0,01438786 м 
К — відповідно перші і друга постійні випромінювання; с— швидкість світла; h — постійна Планка; k — постійна Больцмана.Розробка чутливих приймачів інфрачервоного (ІЧ) випромінювання дозволяє застосовувати пірометричні методи для вимірювання не тільки високих, але і низьких температур. Прилади для вимірювання температур об'єктів по їх тепловому електромагнітному випромінюванню називаються пірометрами [4].