Датчики температуры. Принцип действия преобразователей термоэлектрических ТХА и ТХК с помощью многофункционального калибратора «Метран-

В лабораторных условиях для точного измерения термоЭДС применяются лабораторные и образцовые компенсаторы постоянного тока с ручным уравновешиванием.

 

Пирометры.

 

 

 

Серьезным недостатком рассмотренных выше термопреобразователей сопротивления и термоэлектрических преобразователей является необходимость введения датчика в контролируемую среду, в результате чего происходит искажение исследуемого температурного поля. Кроме того, непосредственное воздействие среды на датчик ухудшает стабильность его характеристик, особенно при высоких и сверхвысоких температурах и в агрессивных средах. От этих недостатков свободны пирометры – бесконтактные датчики, основанные на использовании излучения нагретых тел.

Тепловое излучение любого тела можно характеризовать количеством энергии, излучаемой телом с единицы поверхности в единицу времени и приходящейся на единицу диапазона длин волн. Такая характеристика представляет собой спектральную плотность и называется спектральной светимостью (интенсивностью монохроматического излучения).

Законы температурного излучения определены совершенно точно лишь для абсолютно черного тела. Зависимость спектральной светимости абсолютно черного тела от температуры и длины волны выражается формулой:

 

Rα = Aα –5(eB/(αT) – 1) –1,

где α – длина волны, T – абсолютная температура, A и B – постоянные.

Интенсивность излучения любого реального тела всегда меньше интенсивности абсолютно черного тела при той же температуре. Уменьшение спектральной светимости реального тела по сравнению с абсолютно черным учитывают введением коэффициента неполноты излучения; его значение различно для разных физических тел и зависит от состава вещества, состояния поверхности тела и других факторов.

Использующие энергию излучения нагретых тел пирометры делятся на радиационные, яркостные и цветовые.

Радиационные пирометры используются для измерения температуры от 20 до 2500 0С, причем прибор измеряет интегральную интенсивность излучения реального объекта; в связи с этим при определении температуры необходимо учитывать реальное значение коэффициента неполноты излучения.

В типичный радиационный пирометр входит телескоп, состоящий из объектива и окуляра, внутри которого расположена батарея из последовательно соединенных термопар. Рабочие концы термопар находятся на платиновом лепестке, покрытом платиновой чернью. Телескоп наводится на объект измерения так, чтобы лепесток полностью перекрывался изображением объекта и вся энергия излучения воспринималась термобатареей. ТермоЭДС термобатареи является функцией мощности излучения, а следовательно, и температуры тела.

Радиационные пирометры градуируются по излучению абсолютно черного тела, поэтому неточность оценки коэффициента неполноты излучения вызывает погрешность измерения температуры.

Яркостные (оптические) пирометры используются для измерения температур от 500 до 4000 0С. Они основаны на сравнении в узком участке спектра яркости исследуемого объекта с яркостью образцового излучателя (фотометрической лампы). Фотометрическая лампа встроена в телескоп, имеющий объектив и окуляр. При измерении температуры телескоп направляют на исследуемое тело и добиваются четкого изображения тела и нити фотометрической лампы в одной плоскости. Затем, изменяя яркость нити путем изменения тока через нее (или изменяя яркость изображения тела с помощью перемещаемого оптического клина), добиваются одинаковой яркости изображения нити и исследуемого объекта. Если яркость тела больше яркости нити, то нить видна в виде черной линии на ярком фоне. В противном случае заметно  свечение нити на более бледном фоне. При равенстве яркостей нить не видна, поэтому такие пирометры называют также пирометрами с исчезающей нитью.

Напряжение накала лампы (или положение оптического клина) характеризует температуру нагретого тела; для сравнения интенсивностей излучения лишь в узком диапазоне спектра используется специальный светофильтр.

Яркостные пирометры обеспечивают более высокую точность измерений температуры, чем радиационные. Их основная погрешность обусловлена неполнотой излучения реальных физических тел и поглощением излучения промежуточной средой, через которую производится наблюдение.

Цветовые пирометры основаны на измерении отношения интенсивностей излучения на двух длинах волн, выбираемых обычно в красной или синей части спектра; они используются для измерения температуры в диапазоне от 800 до 0С. Обычно цветовой пирометр содержит один канал измерения интенсивности монохроматического излучения со сменными светофильтрами.

Главным преимуществом цветовых пирометров является то, что неполнота излучения исследуемого объекта не вызывает погрешности изменения температуры. Кроме того, показания цветовых пирометров принципиально не зависят от расстояния до объекта измерения, а также от коэффициента излучения в промежуточной среде, если коэффициенты поглощения одинаковы для обеих длин волн.

 

Кварцевые термопреобразователи

 

 

Для измерения температур от –80 до 250 0С часто используются так называемые кварцевые термопреобразователи, использующие зависимость собственной частоты кварцевого элемента от температуры. Работа данных датчиков основана на том, что зависимость частоты преобразователя от температуры и линейность функции преобразования изменяются в зависимости от ориентации среза относительно осей кристалла кварца.

Кварцевые термопреобразователи имеют высокую чувствительность (до 103 Гц/К). высокую временную стабильность (2*10 –2 К/год) и разрешающую способность 10 –4 – 10 –7 К, что и определяет перспективность. Данные датчики широко используются в цифровых термометрах.

 

Шумовые датчики.

 

Действие шумовых термометров основано на зависимости шумового напряжения на резисторе от температуры. Данная зависимость определяется формулой:

,

где - средний квадрат напряжения шума, K – постоянная Больцмана, T – абсолютная температура, R – сопротивление резистора, - полоса воспринимаемых частот.

Практическая реализация метода измерения температуры на основе шумовых резисторов заключается в сравнении шумов двух идентичных резисторов, один из которых находится при известной температуре, а другой – при измеряемой. Шумовые датчики используются, как правило, для измерения температур в диапазоне  –270  – 1100  0С.

Достоинством шумовых датчиков является принципиальная возможность измерения термодинамической температуры на основе указанной выше закономерности. Однако это значительно осложняется тем, что среднее квадратическое значение напряжения шумов очень трудно измерить точно вследствие его малости и сопоставимости с уровнем шума усилителя.

 

ЯКР - датчики.

 

ЯКР-термометры (термометры ядерного квадрупольного резонанса) основаны на взаимодействии градиента электрического поля кристаллической решетки и квадрупольного электрического момента ядра, вызванного отклонением распределения заряда ядра от сферической симметрии. Это взаимодействие обусловливает прецессию ядер, частота которой зависит от градиента электрического поля решетки и для различных веществ имеет значения от сотен килогерц до тысяч мегагерц. Градиент электрического поля решетки зависит от температуры, и с повышением температуры частота ЯКР снижается.

Датчик ЯКР-термометра представляет собой ампулу с веществом, заключенную внутрь катушки индуктивности, включенной в контур генератора. При совпадении частоты генератора с частотой ЯКР происходит поглощение энергии от генератора. Погрешность измерения температуры -263 0С составляет ± 0.02 0С, а температуры 27 0С - ± 0.002 0С.

Достоинством ЯКР-термометров является его неограниченная во времени стабильность, а недостатком – существенная нелинейность функции преобразования.

 

Дилатометрические преобразователи.

 

 

Дилатометрические (объемные) датчики измерения температуры основаны на явлении расширения (сжатия) твердых тел, жидкостей или газов при увеличении (уменьшении) температуры.

Температурный диапазон работы преобразователей, основанных на расширении твердых тел, определяется стабильностью свойств материалов при изменении температуры. Обычно с помощью таких преобразователей измеряют температуры в диапазоне –60 – 400 0С. Погрешность преобразования составляет 1 – 5 %.

Температурный диапазон работы преобразователя с расширяющейся жидкостью зависит от температур замерзания и кипения последней (для ртути - -39 – 357 0С, для амилового спирта - -117 – 132 0С, для ацетона - -94 – 57 0С. Погрешности жидкостных преобразователей составляют 1 – 3 % и в значительной степени зависят от температуры окружающей среды, изменяющей размеры капилляра.

Нижний предел измерения преобразователей, использующих в качестве рабочей среды газ, ограничивается температурой сжижения газа ( - 195 0С для азота, - 269 0С для гелия), верхний же – лишь теплостойкостью баллона.

 

Акустические датчики.

 

Акустические термометры основаны на зависимости скорости распространения звука в газах от их температуры и используются в основном  диапазоне средних и высоких температур. Акустический термометр содержит пространственно разнесенные излучатель акустических волн и их приемник, обычно включаемые в цепь автогенератора, частота колебаний которого меняется с изменением температуры; обычно такой датчик использует  и различного типа резонаторы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Многофункциональный калибратор

Метран 510 ПкМ

 

 

Измеряемые и воспроизводимые  сигналы:

- ток; 
- напряжение; 
- сопротивление; 
- сигналы от термопреобразователей

сопротивления (ТС) и/или термоэлектри 
ческих преобразователей (ТП) 
 Встроенный интерфейс RS232 (опция) 
 Источник питания:

- 4-х АА NiCd, NiMH (встроенный); 
- сеть переменного тока 220 В, 50 Гц. Степень защиты от пыли и влаги

Многофункциональный портативный калибратор Метран-510-ПКМ предназначен для:

- измерения и воспроизведения cигналов силы и

напряжения постоянного тока, активного 
сопротивления постоянному току;

- измерения преобразования и воспроизведения

сигналов от термоэлектрических преобразовате 
лей и термопреобразователей сопротивлений.

Достоинства калибратора:

- одновременная работа в каналах измерения и

воспроизведения электрических величин (с 
гальванической развязкой каналов);

- режим автоматизированной поверки измери

тельных преобразователей (ИП);

- автоматическое воспроизведение сигналов

различной формы;

- компенсация термо-ЭДС холодного спая ТП

автоматическая или ввод с клавиатуры;

- передача данных калибровки непосредственно

в персональный компьютер через интерфейс 
RS232;

- программное обеспечение.

 

 

 

Устройство и принцип действия.

Основными элементами калибратора являются :

• Электронный блок
• Блок питания
• Электрические кабели для подключения проверяемых датчиков температуры и вторичных приборов;
• Термозонд для компенсации температуры холодного спая термоэлектрических преобразователей.

Все элементы калибратора размещены в малогабаритном, удобной для транспортировке сумки.

Электронный блок калибратора выполнен в виде портативного ручного прибора в пластмассовом корпусе, с жидкокристаллическим цифробуквенном дисплеем.

Электрическая схема калибратора состоит из двух гальванически изолированных блоков, один из которых предназначен для измерения электрических сигналов, а другой – для их воспроизведения, поэтому есть возможность одновременного измерения и воспроизведения электрических величин. Имеется последовательный порт RS232 для связи с персональным компьютером. Калибратор может работать как автономно от встроенных аккумуляторов, так и от блока питания, являющегося одновременно зарядным устройством.

Программирование осуществляется с помощью 5-ти функциональных клавиш, цифровая клавиатура служит для ввода данных.

Активная защита калибратора по входу и выходу гарантирует работоспособность Метран-510-ПКМ при подаче напряжения до 36 В на все входные клеммы, а также при разряде статического электричества.

Благодаря температурной компенсации, калибратор сохраняет значение погрешностей (по табл 2,3) в диапазоне рабочих температур от 10 до 40 градусов, а н е только при температуре 20 градусов.

 

Режим работы

 

В калибраторе МЕТРАН-510-ПКМ предусмотрено несколько режимов работы :

1. Воспроизведение физической величины (ФВ);
2. Измерение ФВ;
3. Одновременное воспроизведение и измерение ФВ 
   В первом режиме работы калибратор, в зависимости от выбранной программы, воспроизводит сигналы постоянного тока и напряжения, сопротивления, а также воспроизводит выходные сигналы ТС и ТП.

Во втором режиме – калибратор производит измерение описанных в первом режиме ФВ.

В третьем режиме – происходит одновременное и независимое воспроизведение, измерение ФВ и расчет погрешности преобразования.

 

Особенности режимов

 

Для первого режима работы:

• Возможно воспроизведение сигналов в виде меандра треугольника и по другим зависимостям;
• Прибор способен воспроизводить сопротивление только для тех приборов, в которых измерительный ток через подключенный ТС не превышает 2,5 мА;
• При воспроизведении сигналов ТП возможна автоматическая компенсация термо-эдс холодного спая с помощью термозонда (входит в комплект доставки)