Лабораторная работа № 8

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ

Введение

Температура является одной из наиболее часто измеряемых физических величин, поскольку практически нет ни одной области деятельности, где не требовалось измерять и регулировать температуру.

Диапазон температур можно разделить на ряд характерных поддиапазонов:

1)  сверхнизкие температуры – 0-4,2 К (градусы Кельвина);

2)  низкие – 4,2-273 К;

3)  средние –  К;

4)  высокие –  К;

5)  сверхвысокие – от 5000 К и выше.

Наиболее часто измеряемые температуры лежат в области низких, средних и высоких температур.

Широкий диапазон подлежащих измерению температур, разнообразие условий и объектов исследования обусловили многочисленность методов и средств измерений температуры.

В термометрии принято классифицировать методы и средства измерений на контактные и неконтактные (бесконтактные). Такая классификация основана на наличии или отсутствии непосредственного контакта (касания) термочувствительного элемента с объектом измерения.

При контактных методах теплообмена между объектом измерения и термопреобразователем осуществляется посредством теплопроводности (при измерении температуры твердых тел) и конвекции (при измерениях в газах и жидкостях). Такие методы основаны на температурной зависимости свойств различных веществ, используемых в качестве термопреобразователя, который находится в непосредственном контакте с объектом измерения и его температура принимается равной измеряемой температуре. Подобные термопреобразователи разделяются на терморезистивные, термоэлектрические, термошумовые и др.

Контактные методы и средства применяются для измерения температур в диапазоне от значений, близких к абсолютному нулю, до 1800 °С. Используя термопреобразователи из тугоплавких материалов и квазиконтактный метод измерения, при котором термопреобразователь помещается в измеряемую среду на короткое время, можно повысить верхний предел измерений до  °С.

Терморезистивные и термоэлектрические преобразователи позволяют измерять температуру практически во всем указанном диапазоне и, кроме того, некоторые виды таких преобразователей имеют нормируемые государственными стандартами технические и эксплуатационные характеристики, что обусловило их широкое применение.

Целью настоящей работы является изучение контактных методов измерения температуры с применением термоэлектрических и терморезистивных преобразователей и методов расчета погрешностей измерения.

1.  Термоэлектрические преобразователи

Явление термоэлектричества заключается в том, что если составить цепь из двух различных проводников (или полупроводников), соединив их между собой концами, причем температуру одного места соединения сделать отличной от температуры другого, то в цепи потечет ток под действием ЭДС (термо-ЭДС), представляющей собой разность функций температур мест соединения проводников:

.

Такая цепь называется термоэлектрическим преобразователем (термопарой - ТП), проводники – термоэлектродами, а места их соединения – спаями. Обычно измеряется не ток, а термо-ЭДС, для чего в разрыв цепи (обычно в одно из мест соединения термоэлектродов) включается прибор для измерения напряжения. Спай, контактирующий с объектом измерения, называется измерительным, а спай подключения прибора – соединительным спаем ТП.

Для указанных в табл. 1 термопар (с металлическими электродами) в соответствии с ГОСТ Р  и ГОСТ 3044-84 устанавливаются номинальные статические характеристики термопар (НСХ), т. е. зависимости термо-ЭДС термопар от температуры измерительного спая при температуре соединительного спая 0 °С. В этой же таблице приведены основные параметры термопар. НСХ задаются в виде таблиц или в виде аппроксимирующих полиномов. Более удобным является табличное задание НСХ.

Основные параметры ТП по ГОСТ Таблица 1

Пределы допускаемых отклонений термо-ЭДС некоторых ТП от номинальных значений, определяемых по НСХ, приведены в табл. 2.

Тип ТП

Условное обозначение НСХ (международное)

Материал термоэлектрода: положительный/отрицательный

Диапазон измерения температуры (кратковременный), °С

Диапазон термо-

ЭДС, мВ

ТВР

ВР (А)

вольфрам (95 %) - рений (5 %)/

вольфрам (80 %) - рений (20 %)

0…2200

(2500)

0…31,13

(33,64)

ТПР

ПР (В)

платинородий (70 % Pt + 30 % Rh)/

платинородий (94 % Pt + 6 % Rh)

300…1600

(1800)

0,43…11,26

(13,58)

ТПП

ПП (S)

платинородий (90 % Pt + 10 % Rh)/

платина

0…1300

(1600)

0…13,15

(16,77)

ТХА

ХА (К)

хромель (90,5 % Ni + 9,5 % Cr)/

алюмель (94,5 % Ni + Al, Si, Mn, Co)

-200…+1000

(1300)

-5,89…+41,27

(52,40)

ТХК

ХК (L)

хромель (90,5 % Ni + 9,5 % Cr)/

копель (56 % Cu + 44 % Ni)

-200…+ 600

(800)

-9,50…+49,10

(66,47)

ТМК

МК (М)

медь / копель (56 % Cu + 44 % Ni)

-200…+100

-6,15…+4,72

Пределы допускаемых отклонений термо-ЭДС, от НСХ Таблица 2

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Тип ТП

Диапазон температур, °С

Предел допускаемых отклонений , мВ

ТПП

0…+300

+300…+1600

0,008

ХА

-200…0

0…+300

+300…+1300

ХК

-200…0

0…+300

+300…+800

Для определения измеряемой температуры по генерируемой термопарой ЭДС, но при температуре соединительного спая , отличной от 0 °С, необходимо автономное измерение температуры этого спая и проведение соответствующего расчета.

Если , то , где - ЭДС, развиваемая ТП при измеряемой температуре и температуре соединительного спая ; - ЭДС ТП при температуре измерительного спая и нулевой температуре соединительного спая. Таким образом, по известной или измеренной температуре соединительного спая НСХ ТП определяется . Измеряется и далее находится сумма и . По суммарной ЭДС с использованием НСХ ТП находится измеряемая температура .

В приложениях 1, 2 приведены НСХ ТП типа ТХА и ТХК.

2.  Термометры сопротивления

Среди терморезистивных преобразователей особое место занимают металлические термометры сопротивления (ТС), для которых характеристики нормируются государственными стандартами (ГОСТ Р 50353 – 92, ГОСТ 6651 – 84). По металлу, используемому для изготовления чувствительного элемента, ТС бывают платиновыми (ТСП), медными (ТСМ) и никелевыми (ТСН). По способу контакта со средой, температура которой измеряется, ТС делятся на погружаемые и поверхностные.

Статической характеристикой ТС называется зависимость сопротивления ТС от температуры . В зависимости от номинального сопротивления при условные обозначения номинальных статических характеристик преобразования (НСХ) и основные показатели некоторых типов ТС приведены в табл. 3.

Основные параметры ТС Таблица 3

Подгруппа ТС

, Ом

Условное обозначение НСХ

Диапазон температур

российское

международное

ТСП

50

50П

Pt 50

-260

+850

100

100П

Pt 100

-260

+850

ТСМ

50

50M

Cu 50

-200

+200

100

100M

Cu 100

-200

+200

ТСН

100

100H

Ni 100

-60

+180

НСХ ТС должны соответствовать уравнению

,

где – сопротивление ТС при температуре t, Ом;

– значение отношения сопротивления при температуре t к сопротивлению при 0°С.

Значения задаются стандартными таблично или аналитически в виде интерполяционных уравнений. В табл. 4 приведены примеры интерполяционных уравнений. На практике удобнее пользоваться табличными данными для .

Для ТС установлены три класса допуска на допускаемые отклонения и от своих номинальных значений. Значения этих допускаемых отклонений приведены в таблицах 5 и 6.

Примеры интерполяционных уравнений Таблица 4

Подгруппа ТС

Диапазон температур, °С

Интерполяционные уравнения

Значения коэффициентов

уравнения

ТСП

-200 – 0

Для НСХ с

0 – +850

ТСМ

-50 – +200

Для НСХ с

Для НСХ с

Для НСХ с

-10 – +200

-100 – -10

Допускаемые отклонения Таблица 5

Подгруппа ТС

Допускаемое отклонение для классов допуска, %

А

В

С

ТСП

0,005

0,1

0,2

ТСМ

0,05

0,1

0,2

ТСН

--

--

0,24

Допускаемые отклонения Таблица 6

Подгруппа ТС

Номинальное значение

Наименьшее допускаемое отклонение для классов допуска

А

В

С

ТСП

1,3850

1,3845

1,3840

1,3835

1,3910

1,3906

1,3900

1,3895

ТСМ

1,4260

1,4255

1,4250

1,4240

ТСН

1,6170

--

--

1,6130

Наибольшее допускаемое значение не ограничивается.

В табл. 7 приведены допускаемые отклонения определения температуры по статической характеристике ТС по отношению к его НСХ.

Допускаемые отклонения определения температуры Таблица 7

Подгруппа ТС

Класс допуска

Допуск, °С

ТСП

А

В

С

ТСМ

А

В

С

Измерительный ток, который приходится пропускать через ТС при измерении его сопротивления, не должен вызывать увеличение его сопротивления из-за нагрева при более, чем на 0,1% от его номинального значения. Значение этого тока следует выбирать из ряда: 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 2,0; 3,0; 5,0; 10,0; 15,0; 20,0; 50,0 мА.

В приложениях 3 и 4 приведены НСХ для ТСМ и ТСП.

3.  Состав стенда

В состав стенда входят несколько ТП и ТС, технические характеристики которых приведены в приложении и на стенде.

В работе используется цифровой мультиметр (ЦМ), с помощью которого измеряются ЭДС ТП и сопротивления ТС.

Технические характеристики прибора приведены на стенде.

4. Задание

1. Ознакомиться с датчиками и приборами стенда и внести в протокол их паспортные данные. Тип датчика указывается на головке датчика. В работе используются термометры сопротивления с W100 =1,3910 и W100 =1,428

2. Измерить с помощью термометра сопротивления (ТС) температуру окружающего воздуха. Рассчитать погрешность измерения температуры с учетом погрешности ТС и цифрового мультиметра (ЦМ).

3. Поместить ТС в термостат, включить нагрев и провести ряд измерений температуры. Рассчитать погрешности измерения температуры.

4. Поместить в нагретый термостат термопару (ТП), дождаться установившегося режима и провести измерение температуры. Выключить термостат и в течение его остывания провести ряд измерений температуры. Найти результаты с поправкой на температуру соединительного спая. Рассчитать погрешность измерения температуры с учетом погрешности ТП, погрешности измерения температуры соединительного спая ТП и погрешности ЦМ.

НСХ преобразователи типа ТХА. Температура соединительного спая – 0 °С Приложение 1

0

0

50

2,022

100

4,095

5

0,198

55

2,229

105

4,302

10

0,397

60

2,436

110

4,508

15

0,597

65

2,643

115

4,714

20

0,798

70

2,850

120

4,919

25

1,000

75

3,058

125

5,124

30

1,203

80

3,266

130

5,327

35

1,407

85

3,473

135

5,531

40

1,611

90

3,681

140

5,733

45

1,817

95

3,888

145

5,936

Приложение 2

НСХ преобразователя типа ТХК

Температура свободных концов – 0 °С

0

0

50

3,299

100

6,842

5

0,318

55

3,643

105

7,208

10

0,638

60

3,989

110

7,576

15

0,961

65

4,338

115

7,946

20

1,287

70

4,689

120

8,318

25

1,616

75

5,042

125

8,693

30

1,947

80

5,398

130

9,069

35

2,282

85

5,756

135

9,446

40

2,618

90

6,116

140

9,826

45

2,957

95

6,478

145

10,208

50

3,299

100

6,842

150

10,591

Приложение 3

НСХ преобразователя типа ТСМ

Wt

Wt

Wt

0

1,0000

50

1,2140

100

1,4280

5

1,0214

55

1,2354

105

1,4922

10

1,0428

60

1,2568

110

1,4708

15

1,0642

65

1,2782

115

1,4922

20

1,0856

70

1,2996

120

1,5136

25

1,1070

75

1,3210

125

1,5350

30

1,1284

80

1,3424

130

1,5564

35

1,1498

85

1,3638

135

1,5777

40

1,1712

90

1,3852

140

1,5991

45

1,1926

95

1,4066

145

1,6205

50

1,2140

100

1,4280

150

1,6419

Приложение 4

Отношения сопротивлений Wt для платиновых ТС с W100 = 1,3910

t, oC

Wt

t, oC

Wt

0

1,0000

80

1,3139

5

1,0198

85

1,3332

10

1,0396

90

1,3526

15

1,0594

95

1,3719

20

1,0792

100

1,3910

25

1,0989

105

1,4104

30

1,1186

110

1,4296

35

1,1343

115

1,4488

40

1,1579

120

1,4679

45

1,1775

125

1,4870

50

1,1971

130

1,5061

55

1,2166

135

1,5252

60

1,2361

140

1,5442

65

1,2556

145

1,5632

70

1,2751

150

1,5822

75

1,2945

, , температуры:-Методическое руководство к лабораторной работе № 8 по курсу “Метрология и инженерный эксперимент”. - М.: Изд-во МЭИ, 19с.