Температураны өлшеу

Өндірістік  термометрлерді екілік аспаптармен  бірге зерттеу және термоэлектрлі түрлендіргіш құрылысын оқу мен әрекет принципін оқып үйрену

 

Жұмыстың мақсаты.

Температураны термоэлектрлі термометр – термоэлектрлі түрлендіргіштермен өлшеп үйрену, температураны өлшеу аспаптары әрекет ету принциптерін және де термоэлектрлі құрылысы мен әрекет принициптерімен танысу.

 

Жалпы түсінік.

1. Температураны өлшеу. Термоэлектрлі термометрлер

 

Температура деп  дененің қызу дәрежесін сипаттайтын  физикалық шаманы айтады. Жалпы алғанда барлық технологиялық процестер мен заттың әртүрлі қасиеттері температураға тәуелді.

Температураның  ұзындық, масса және т.б. физикалық  шамалардан айырмашылығы, ол экстенсивті (параметрлі) емес, интенсивті (активті) шама болып табылады. Сонда, егер гомогенді денені екі түрлі бөлікке бөлсек, онда масса теңдей бөлінеді. Интенсивті шама болып табылатын температура мұндай аддитивті қасиетке ие болмайды, яғни термикалық тепе-теңдікте орналасқан жүйенің кез-келген микроскопикалық бөлігінің температуралары бірдей болады. Сондықтан экстенсивті шамалардың эталондарын құруға ұқсас температураның эталондарын құру мүмкін емес.

Темпертураны  тікелей өлшеуге жүгінетін дененің  физикалық қасиеттерінің температурасына  тәуелділігіне негізделе отырып, тек жанама жолмен өлшейді. Дененің мұндай қасиеттері термометриялық деп аталады. Оларға ұзындықты, көлемді, тығыздықты, термоЭҚК-ні, электр кедергісін және т.б. жатқызамыз. Термометриялық қасиеттермен сипатталатын заттар термометриялық заттар деп аталады. Температураны өлшеу құралдарын термометрлер деп атайды. Термометрді құру үшін температуралық шкала қажет.

Температуралық  шкала деп температураның өлшенетін  термометриялық қасиеттердің мәндерімен нақты функционалды санды байланысын айтады. Бұл байланыста температуралық шкаланы кез-келген термометриялық қасиетті таңдап алу негізінде құру мүмкіндігі беріледі. Сол уақытта температураны өзгертумен сызықты түрде өзгеретін және темпратураны өлшеудің кең аралығындағы басқа факторларға тәуелдіе мес бір де бір термометриялық қасиет болмайды.

Қазіргі кезде  екі термометриялық шкала қолданылып келеді: абсолютті термодинамикалық және халықаралық тәжірибелік. Термодинамикалық шкаланың санау басы болып абсолютті  ноль нүктесі таңдап алынған, ал жалғыз реперлі нүкте ретінде 273,16 К-ге тең судың үштік нүктесі қабылданған. Дегенмен термодинамикалық шкала газды термометрлердің көмегімен пайдалану қиындығына байланысты тәжірибеде кеңінен қолданылмайды.

Өлшеу кезінде  ең қолайлы болып халықаралық  тәжірибелік температуралық шкала (ХТТШ) жатады, ол заттың (негізгі реперлі нүктелер) фазалы тепе-теңдігінде көрсетілген температуралар қатарына негізделген.  Негізгі реперлі нүктелер арасындағы аралықтың температурасы эталонды аспаптар мен халықаралық тәжірибелі температуралық шкала мәндері арасындағы байланысты орнататын интерполяциялы формуламен анықталады.

Негізгі реперлі  нүктелер –259,34-тен (судық тепе-теңдігінің үштік нүктесі) 1064,43 (алтынның бекітілу нүктесі) ⁰С-ға дейінгі температура диапазонында орналасқан. Температура аралығы ХТТШ-да –259,34-тен 630,74 ⁰С-ға дейін эталонды платиналы кедергі термометрімен, ал 630,74-тен 1064,43 ⁰С-ға дейінгі аралық – эталонды платинародиелі-платинді термобумен көрсетіледі.

1064,43 ⁰С-тан жоғары температура ХТТШ-да Планканың сәулелену заңдылығымен анықталады. ХТТШ бойынша температура t арқылы, ал оның сандық мәндері ⁰С белгісімен беріледі. Абсолютті термодинамикалық температура Т мен халықаралық тәжірибелі шкала t арасында T = t + 273,15 К қатынасы болады.

Температура мен  өлшеу әдістерінің байланысты(контакталы) және байланыссыз (контакталы емес) түрлері болады. Бірінші жағдайда аспаптың сезімтал элементінің өлшеу объектісімен сенімді жылу байланысы болу тиіс: мұнда температураны өлшеудің жоғарғы шегі қолданылатын сезімтал элементтердің ыстыққа беріктігі  мен химиялық төзімділігімен шектелген. Егер аспаптың сезімтал элементінің өлшеу объектісімен сенімді жылу байланысын жүзеге асыру қиын болса, байланыссыз өлшеу әдәсін пайдаланады.

Термометр деп  температураны оның белгілі функциясы  болып табылатын сигналға түрлендіру жолымен өлшеу құрылғысын (аспап) айтамыз.

 

2. Кедергі термотүрлендіргіштері

 

Температураны кедергі термотүрлендіргіштерімен өлшеу металдар мен жартылайөткізгіштердің қасиеттерін температураны өзгерте  отырып, өзінің электр кедергісін өзгертуге  негізделген. Егер кедергі термотүрлендіргішінің электр кедергісі R_t мен оның t температурасы [яғни R_t=f(t) – градустелген сипаттамасы] арасындағы тәуелділік белгілі болса, онда R_t-ні өлшей отырып, жүктелген ортаның температурасының мәнін анықтауға болады.

Термотүрлендіргіштер –260-тан +1100 ⁰С-ға дейінгі аралықтағы температураны сенімді түрде өлшеуге мүмкіндік береді. Кедергі термотүлендіргішінің металды өткізгіштерге бір қатар талаптар қойылады, олардың негізгісі болып градустелген сипаттаманың тұрақтығы, сонымен қатар кедергі термотүрлендіргіштерін жасап шығаруды өзара алмастырылуын қамтамасыз ететін оның өнімділігі жатады. Негізгі емес қатарына, бірақ талаптарды қанағаттандыратындарға R_t=f(t) функциясының сызықтығы, электр кедергісінің температуралық коэффициентінің мүмкіндігінше жоғарғы мәні, үлкен салмақты кедергі мен материалдың жоғары емес құны жатады.

Зерттеушілермен металл таза болған сайын, ол көрсетілген негізгі  талаптарға сонша үлкен дәлдікте жауап береді және R₁₀₀/R₀ қатынасы мен a (мұндағы R₀ менR₁₀₀ – 0 мен 100 ⁰С-қа сәйкес металдың электр кедергілері) мәндері сонша үлкен болатыны айтылған. Сондықтан да металдың тазалық дәрежесін, сонымен қатар онда механикалық кернеулердің бар болуын R₁₀₀/R₀ мен a мәндерімен сипаттау қабылданған. Металдың механикалық кернеуін оны күйдіру жолымен алу кезінде көрсетілген сипаттамалар берілген металл үшін өздерінің шекті мәндеріне жетеді.

0-ден 10 ⁰С-ға дейінгі температураны өзгерту арқылы материалдың кедергісін өзгерту a_0,100 = (R₁₀₀ – R₀)/R₀×100 коэффициентімен сипатталады. Металдың температуралық кедергі коэффициенті оң таңбалы болады.Көптеген таза металдар үшін ол 4×10^-3-6×10^{-3 0}С^-1-ге тең, электр кедергісін температураны бір градуске, шамамен 0,4-0,6 %-ке 0⁰С кезіндегі кедергіден жоғарлатады. Стандартты кедергі термотүрлендіргіштерін даярлау үшін қазіргі кезде платина мен мысты қолданады.

Платина кедергі термотүрлендіргіші үшін ең жақсы материал болып табылады, өйткені ол таза түрінде жеңіл  алынады, өнімділігі жақсы, жоғары температуралы  қышқылдану ортасында химиялық түрде инертті, 3,94×10^{-3 0}С^-1 –ге тең жеткілікті үлкен температуралық кедергі коэффициенті және 0,1×10^-6Ом×м. жоғары салмақты кедергісі бар. Платиналы кедергі термотүрлендіргіштерін –260-тан +1100 ⁰С температураны өлшеу үшін қолданады,  осыдан –260-тан +1100 ⁰С температура диапазоны үшін диаметрі 0,05-0,1 мм-ге тең платиналы өткізгіштер қолданылады, ал +1100 ⁰С-ға дейінгі температураны өлшеу үшін осы температурадағы платиналарды рассыпления*** күшінде өткізгіштің диаметрі шамамен 0,5 мм болады. Қолданылатын платиналы өткізгіштер үшін R₁₀₀/R₀ қатынасының мәні 1,3850-1,3910 болады.

Платинаның кемшілігі R_t = f(t) функциясының сызықты еместігі және, одан бөлек платина - өте қымбат металл болып табылатыны.

Мыс – онша қымбат емес, таза түрінде жеңіл алынатын металдардың бірі. Мысты кедергі термотүрлендіргіштері  диапазоны –50-ден +200 ⁰С-ға дейінгі температураны өлшеу үшін арналған. Өте жоғары температурада мыс жылдам тотықтанады және сондықтан да оны  пайдаланбайды. Мыс өткізгішінің диаметрі әдетте 0,1 мм, ал R₁₀₀/R₀ қатынасы 1,4260-1,4280 құрайды. Температураның кең диапазонында кедергінің температурадан тәуелдігі сызықты түрде және R_t=R₀(1+at) түрінде келеді, мұндағы a=4,26×10^{-3 0}С^-1.

Жартылай өткізгішті кедергі термотүрлендіргіштері 10 –100-ден 300 ⁰С-ға дейінгі температураны өлшеу үшін пайдаланылады. Олардың материалдары ретінде әртүрлі жартылайөткізгіш заттар – магний, кобальт, марганец, титан, мыс оксидтері, германий кристалдары пайдаланылады.

Жартылайөткізгіштердің  басты ерекшелігі болып олардың үлкен теріс температуралық кедергі коэффициенті саналады. Жартылайөткізгіштердің температурасын бір градуске жоғарлатқан кезінде, олардың кедергілері 3-5%-ке азаяды, бұл оларды температураның өзгеруіне өте сезімтал қылады.

Жартылайөткізгіш материалдарының кемшіліктері болып олардың едәуір сызықты еместігі және, басты, градустелгенсипаттамасының көрсетілмейтіндігі саналады. Сондықтан тіпті бір сол типті жартылайөткізгіш кедергі термотүрлендіргіштері жеке градуировкасы болады және өзара алмастырылмайды.

Көрсетілген кемшілітерінің салдарынан жартылайөткізгіш кедергі  термотүрлендіргіштері температураны  өлшеу үшін сирек пайдаланылады.

Кедергі термотүрлендіргіштерінің жиынтығына әдетте теңестірілмеген, теңестірілген  көпірлер мен логометрлер қолданылады. Көбінесе лабораториялық және автоматты  болып бөлінетін теңестірілген  көпірлер пайдаланылады. Логометрлер  соңғы жылдары дәлділік класы  аса жоғары автоматты электронды көпірлер кеңінен таралғанына байланысты тіпті пайдаланбайды.

 

3. Термоэлектрлі түрлендіргіштер

 

Температураны термоэлектрлі термометр – термоэлектрлі  түрлендіргіштермен (ТЭТ) өлшеу 1821 ж. ашылған  Зеебектің термоэлектрлі эффектісін пайдалануға негізделген.

Термоэлектрлі түрлендіргіш. Ол өзінше бір-бірімен  екі немесе бірнеше әртүрлі өткізгіштермен жалғанған тізбекті береді.

Сурет 9.1-де А  және В екі өткізгіштерден (термоэлектродтардан) тұратын термоэлектрлі тізбек берілген. 1 мен 2 термоэлектродтарының қосылу орнын дәнекерлер (спайлар) деп атайды. Зеебек, егер t мен t₀ дәнекер температуралары тең болмаса, онда тұйықталған тізбекте электрлі ток ағып өтеді деген.  Термоток деп аталатын бұл токтың бағыты дәнекер температураларының қатынасына тәуелді, яғни егер t>t₀ болса, онда ток бір бағытта, ал t<t₀ – басқа бағытта ағып өтеді.

Мұндай тізбекті ажырату кезінде  олардың ұштарында термоэлектрлі (термоЭҚК) деп аталатын күш өлшенуі  мүмкін. Қарастырылып жатқан әсер бөліну қасиетіне ие, ол, егер осындай тізбектен тыс электрлі ток берсек, онда токтың бағытына байланысты дәнекердің біреуі қыздырылады да, ал басқасы суытылатыны (Пелетье әсері)жөнінде айтып кеткен жөн. Қазіргі заман физикасында термотоктың немесе термоЭҚК-нің пайда болуы әртүрлі металдарда электрондардың әртүрлі шығу жұмыстары бар, сондықтан да әртүрлі металдар жанасқан кезде потенциалдардың байланыс айырымы пайда болады. Сонымен қатар, өткізгіш ұштарының температураларын ажыратқан кезде, олардың ұштарындағы потенциалдардың айырымын тудыратын электрондардың диффузиялары   пайда  болады.  Осылай,      көрсетілген          екі факторлар – потенциалдардың    байланыс    айырымы мен электрондардың диффузиясы – тізбектегі термоЭҚК-тің нәтижесін шығаратын болып қосылады, олардың мәндері термоэлектродтардың табиғаты мен ТЭТ дәнекерлер температураларының айырымының нәтижесіне тәуелді. Тізбектің байланысты термоЭҚК мен нәтижелі термоЭҚК арасындағы қатынасты математикалық түрге түрлендіру үшін бірнеше шарттарды орындау қажет. Температурасы аз дәнекердегі ток басқа термоэлектродқа өтетін бір термоэлектродты оң деп, ал екіншісін – теріс деп алған жөн. Мысалы, егер t₀<t (сур. 1) болса және осы дәнекердегі оң А термоэлектродынан В теріс термоэлектродқа бағытталса, онда А термоэлектродын – термооң, ал В –термотеріс деп атаймыз. Дәнекердегі А мен В термоэлектрод арасындағы байланыс термоЭҚК-ті  t температурада е_АВ(t) деп белгілейміз. Көрсетілген жазба, егер А термоэлектрод оң және кезекті жазбада бірінші болып келсе, онда термоЭҚК е_АВ(t) теріс таңбамен алынған деп есептейміз. Вольттің заңына сәйкес екі әртекті өткізгіштердің тұйықталған тізбегінде дәнекер температурасының тепе-теңдігінде осы тізбектің термотогы нольге тең болады.

Осыдан, егер 1 мен 2 дәнекерлердің  температуралары бірдей болса, мысалы t₀ болса, онда әр дәнекердің термоЭҚК бір-бірімен тең және бір-біріне қарсы әрекет етеді және сондықтан да осындай контурдың термоЭҚК Е_АВ(t₀t₀)  нольге тең деп тұжырымдаймыз, яғни

Е_АВ(t₀ t₀) = e_АВ(t₀) – e_АВ(t₀) = 0,                                                         (1.1)

немесе е_АВ(t₀) = -e_ВА(t₀) екенін ескерсек,

Е_АВ(t₀ t₀) = e_АВ(t₀) +е_ВА(t₀) = 0.                                                          (1.2)

(1.2) теңдеуді немқұрайды түрде қарастырсақ, келесі ережені қабылдауға болады: контурдың нәтижелі термоЭҚК байланыс термоЭҚК-тің арифметикалық қосындысына тең, олардың символды термоэлектродтардың кезекпен жазылуы контурдың айналу бағытына сәйкес (мысалы, сағат тіліне қарама-қарсы).

Е_АВ(t t₀) = e_АВ(t) – e_АВ(t₀).                                                                     (1.3)

(1.3) теңдеуін ТЭТ-тің негізгі теңдеуі деп атайды. Одан контурда пайда болған термо ЭҚК      Е_АВ(t t₀)  t мен t₀ температура функцияларының айырымына тәуелді екені шығады. Егер t₀ = const болса, онда e_АВ(t₀) = c = const болады және

    Е_АВ(t t₀)_t0=const = e_АВ(t) –c = f(t).                                                        (1.4)

Белгілі (1.4) тәуелділігінен ТЭТ контурындағы термоЭҚК-ті өлшеу арқылы, егер t₀ = const болса, өлшеу объектісіндегі t температурасы табылуы мүмкін. Температураны өлшеу объектісіне жүктелген дәнекерді жұмысшы дәнекер немесе жұмыс ұшы , ал объектіден тыс дәнекерді бос дәнекер (ұшы) деп атайды.

(1.3) тәуелдігін нақты түрде қолданылатын термоэлектродты материалдар үшін аналитикалық түрде жеткілікті дәлдікте алынбайтынын айта кеткен жөн. Сондықтан температураны өлшеу кезінде қолданылатын әртүрлі ТЭТ үшін бұл тәуелділік градустеу мен тізбекті табуляциялау жолымен немесе термоЭҚК-тің температурадан тәуелділік графигін құру жолымен орнатылады. Градустеу процесінде ТЭТ-нің бос ұштарын тұрақты етіп және оның мәндерін стандартты түрде t₀=0⁰C ұстау қажет.

ТЭТ контурындағы генерацияланатын термоЭҚК тек термоэлектродтардың  химиялық құрамы мен дәнекер температураларына  тәуелді және термоэлектродтардың  геометриялық өлшемдері мен дәнекер өлшемдеріне тәуелді емес екенін айта кеткен жөн.

Өлшеу аспаптарын термоэлектрлі түрлендіргіш тізбегіне қосу. ТЭТ термоЭҚК –ін өлшеу үшін оның тізбегіне (сур. 1.1) көрсетілген екі схеманың біреуіндегі өлшеу аспаптарын қосады.