Шпаргалка по "Метрологии"

1. Pt – W₁₀₀=1,426
2. Pt´ (П) -- W₁₀₀=1,428

Медные  термометры

Диапазон измерений медных термометров  от -50 до +200°С. Верхний диапазон измерений  ограничен тем, что при таких  температурах начинается активное окисление  Cu. Преимуществом медных термометров является их линейная статическая характеристика.

R_t=R₀(1+αt), где α – температурный коэф-т сопротивления Cu.

Медные термометры имеют более  высокую чувствительность, чем платиновые:

1. Cu – W₁₀₀ = 1,426
2. Cu´ (М) -- W₁₀₀ =1,428

Погр-ть ТС нормируется абсолютной погр-тью. Платиновые термометры выпускаются классов А, В, С, а медные – В и С.

Выражается погр-ть следующим образом: Δ=⁺_-(0,15+0,002t) – это для класса А.

Полупроводниковые термометры

Используются для измерения  температур от -100 до +300°С. Их преимуществом  является повышенная чувствительность. Значение R₀ – десятки кОм. Недостатки: нелинейная (близкая к экспоненциальной) статическая хар-ка; худшая воспроизводимость. Как правило, они имеют отрицательный температурный коэф-т и наз. термисторы.

Конструкция термометров

Она зависит от типа применяемого чувствительного элемента и условий  эксплуатации. Различают: проволочные  и плёночные чувствительные элементы.

Проволочные представляют собой тонкую (около 0,05мм) проволку, бифилярно намотанную на каркас. Чувствительный элемент помещается в корпус, который предохраняет его от механических повреждений. Чтобы улучшить теплообмен между средой и чувствительным элементом, свободное воздушное пространство заполняется теплопроводящей пастой. Длина чувствительного элемента от 10 до 20 мм. Толщина проволки платиновых термометров, предназначенных для измерения высоких температур, составляет 0,5 мм.

Проволочные чувствительные элементы обладают повышенной воспроизводимостью и надёжностью. Недостаток: высокая стоимость платиновых термометров.

В последнее время широкое распространение  получили плёночные чувствительные элементы (или ЧИП). Толщина напыления  несколько микрон, поэтому ЧИП  элементы могут изготавливаться  с повышенным значением R₀ (до 10 кОм).

Чувствительный элемент подключается к соединительной головке по 2-х, 3-х и 4-х проводной схеме.

 

 

8. Измерительные  мосты. Условие равновесия моста.  Двух и трёхпроводные схемы подключения термопреобразователей сопротивления.

     Если обеспечить ток, протекающий  через резистр, постоянным, то, измеряя подение напряжения на нём U_t, можно определить его сопротивление. Такую схему подключения можно использовать, если сопротивление линий связи R_л невелико.

U_t= U_Rt + U_Rл

      Если сопротивление линий связи  больше, то это внесёт большую  погрешность. Если сопротивлением  линий связи нельзя пренебречь, то используют 4-ёхпроводную схему  подключения. При таком подключении  ток протекает по цепи от  клеммы 1 через термометр к клеме 4. А клемы 2 и 3 подключены к усилителю с высоким входным сопротивлением. В результате ток, протекающий в измерительной цепи намногоменьше, чем ток I: I_изм<<I.

       U_л= I_изм∙ R_л , U_л – это напряжение становится очень маленьким и им можно пренебречь.

Кроме такого способа для измерения  сопротивлений используют мостовые схемы.

Мост  состоит из постоянных резисторов R₁, R₂; переменного резистора R_р – реохорд; термометра сопротивления R_t.

Мосты бывают уравновешенные и неуравновешенные. Точки a, b, c, d – это вершины моста. ab и cd – диагонали, ac, cb, bd, ad – плечи, ab – диагональ питания, cd - измерительная диагональ. R₁ и R₂ изготавливают из манганина (сплав, сопротивление которого не зависит от температуры). Подвижный контакт реохорда соединён со стрелкой. Путём несложных преобразований условие равновесия моста можно выразить следующим образом:

R₁t_t=R₂ R_р^*, где R_р^* - сопротивление незашунтированной части реохорда (шунт - параллельное включение).

Состояние равновесия контролируется милливольтметром. Если сопротивление термометра изменилось, мост разбалансируется и движок реохорда перемещают в сторону уменьшения дисбаланса до установления равновесия.

R_р^*= R_р

R_t= R_р =f(l) – сопротивление термометра будет однозначно определяться положением подвижного контакта реохорда.

Если  сопротивление проводов велико и  им нельзя пренебречь, то условие равновесия моста запишется: R₁(R_t+2 R_л)=R₂ R_р^*.

Чтобы компенсировать влияние температуры  окружающей среды на соединительные провода применяют 3-хпроводные схемы  подключения. Для этого случая условие  равновесия моста запишется: R₁(R_t+R_л)=R₂(R_р^*+ R_л).

Если R₁=R₂, то R_t= R_р^*, т.е. сопротивления проводов не будут никаким образом влиять.

В автоматических мостах вместо милливольтметра  используют усилитель, к выходу которого подключают креверсивный двигатель:

Особенностью схемы является способ включения реохорда. Недостатком  реохорда является наличие подвижного контакта, переходное сопротивление  которого нестабильно и зависит  от состояния провода, степени истирания, а также пыли. Причём изменение  этого сопротивления может быть достаточно существенным. Чтобы уменьшить  влияние переходного сопротивления  реохорд включён так, что контакт включён в измерительную диагональ и поэтому изменение его сопротивления не нарушает равновесие моста.

 

9. Термоэлектрические  преобразователи. Динамические характеристики  контактных СИ температуры. Влияние  установки на погрешность измерения.

Термоэлектрические  преобразователи

Применяются для измерения высоких температур от 100 до 2200°С. Принцип действия основан на термоэлектрическом эффекте (или эффекте Зеебека).

Сущность

Если  составить цепь из 2-х разнородных  проводников, то в этой цепи будет  течь ток, если места соединения этих проводников находится при разных температурах. Термоэлектрический преобразователь  или термопара состоит из 2-х  проводников. Проводники, из которых  состоит термопара, наз. электродами. Места соединения термоэлектродов наз. спаи. Спаи, которые находятся в измеряемой среде, наз. рабочим (или горячим) спаем (t). А другой спай наз. холодным (t₀). Электрод, от которого течёт ток в спай с меньшей температурой, наз. положительным (А). При соединении 2-х разнородных металлов свободные электроны из одного из них начинают переходить в другой под действием разности концентраций (различная концентрация обусловлена различной работой выхода электронов). При этом тот электрод, из которого уходят электроны, приобретает объёмный положительный заряд. Возникает электрическое поле, направленное встречно движению электронов.

В конце концов устанавливается динамическое равновесие, при котором количество движущихся в противоположных направлениях электронов одинаково. И поэтому динамическому равновесию соответствует определённое термо-ЭДС:

E_АВ(t,t₀)=e_АВ(t) - e_АВ(t₀)  – основное уравнение термоэлектрического преобразователя, 

где E – термо-ЭДС, e – контактные ЭДС.

Если t₀ сделать постоянным, то изменение термо-ЭДС будут определяться изменениями температуры измеряемой среды.

Термопара измеряет разность температур.

Несмотря  на то, что 2 любых проводника образуют термопару в технике измерений используют 5 типов термопар. При этом к материалам термоэлектродов предъявляют следующие требования:

1. однознач-е и по возможности линейная зависимость термо-ЭДС от температур
2. термоэлектрическая однородность проводников по длине, что позволяет восстановить рабочий спай без дополнительной градуировки
3. пожаростойкость, химическая инертность, механическая прочность
4. технологичность изготовления, низкая стоимость

Статическая хар-ка термоэлектрических преобразователей пока не может быть получена аналитически, поэтому она устанавливается экспериментальным способом. В настоящее время выпускаются следующие термопары:

- ТХК (хромель копель)

- ТХА (хромель алюмель)

- ТПП (платинородий платина)

- ТПР (платинородий платинородий)

- ТВР (вольфрам рений)

Термопара ТХР. Диапазон: от -200 до +600°С. Термо-ЭДС при 100°С составляет примерно 6,9мВ. Погрешность термопары от 2,5 до 5°С.

ТХА. Диапазон: до 900°С. При 100°С ЭДС=4мВ. Погрешность: 4-9°С.

ТПП. Диапазон: до 1200°С. Термо-ЭДС при 100°С = 0,64мВ. Погрешность 1,5-3,5°С.

ТПР. Диапазон: +300 - +1600°С. Термо-ЭДС при 300°С = 0,43мВ. Погрешность 3-5°С.

ТВР. Диапазон: до 2200°С. Термо-ЭДС при 100°С = 1,3мВ. Погрешность 5-10°С.

Конструктивно термопары аналогичны термометрам  сопротивления.

Динамические хар-ки термометров

При изменении измеряемой температуры  возникает тепловой поток (внутри термометра). Учитывая, что скорость распространения  тепла имеет конечное значение и  эта скорость зависит от конструкции  термометра и условий теплообмена, то входная величина термометра изменяется с некоторой задержкой. Если пренебречь влиянием корпуса термометра (временем на его нагрев), то динамическая хар-ка с достаточной точностью может быть описана дифференциальным уравнением 1-го порядка, решением которого является:

у(t)=k(1-e^(-t/Т)), где Т – постоянная времени и может быть представлена:

Т=f{(mC_p)/(Fα)}, где m – масса термометра, C_p – теплоёмкость, F – поверхность теплообмена, α – коэф-т теплообмена (коэф-т теплоотдачи).

Если  поместить термометр в чехол, то его динамические хар-ки существенно ухудшаются.

Постоянная времени термометра может колебаться от нескольких секунд до нескольких минут.

Установка термометров

Установка термометра оказывает существенное влияние на результат измерения, т.к. температура – это параметр зависящий от координаты, то необходимо правильно выбирать место установки: нельзя устанавливать в застойных зонах, необходимо обеспечить термодинамическое равновесие между термометром и окружающей средой.

 

10 Измерение  высоких t-ур. Типы пирометров, принципы действия, характеристики. Метрологическое обеспечение СИ t-ры.

Все физич-ие тела, имеющие t-ру выше абсолютного нуля, испускают электромагнитное излучение. Средства измерений, опред-щие t-ру тела по интенсивности излучения назыв. пирометрами. Пирометры исп-ют 1)для измерения 300⁰С и более; 2)пиромерты – единств-ое средство измер., позволяющее измерять t-ры выше 2200⁰С. Верхний предел измерений теоретически не ограничен; 3)они безотказны и поэтому не искажают t-ное поле объекта измерений. В пирометрах в основном используют видимый (0,4-0,75 микрон) и ближний инфракрасный диапазон. Измерение t-ры пирометрами основывается на закономерностях, полученных для абсолютно черных тел. Реальные тела не явл-ся абсолютно черными и поэтому в выражение вводится коэфф-нт:  ε=Е_λ/Е_λ^*, где ε- степень черноты, Е_λ- спектральная энергетическая светимость абсолютно черного цвета, Е_λ^*- ...реального тела. Если спектр энергетич-ой светимости не зависит от t-ры и длины волны, то такое тело – абсолютно серое.

Типы пирометров: яркостные, цветовые и радиационные.

Яркостные. Принцип действия основан на зависимости от t-ры, интенсивности и

монохроматического излучения. В  качестве длины волны принимают  длину волны, соотв-ую красному цвету.   

При измерениях оператор наводит пирометр на объект измерений т., что на фоне объекта видна часть спирали. Изменяя ток ч/з спираль добиваются равенства светимости объекта, при этом спираль исчезает. Поэтому пирометр наз. пирометром с исчезающей нитью. «+» таких пирометров – простота конструкций. Определяемая т. обр. t-ра назыв. яркостной, которая отличается от реальной t-ры на величину степени черноты. Поэтому шкалы приборов отградуированы в значениях яркостной t-ры, а поправка вводится в зависимости от св-в измеряемого объекта. При t-ах выше 1500⁰С вольфрамовая нить интенсивно возгоняется (переходит из тв. в газообр.). поэтому для поаышения надежности при измерении более высоких t-р исп-ся серый светофильтр. У таких приборов диапазон измерений 800-6000⁰С . класс точности 1-4%. «─» таких пирометров явл. Невозможность передачи данных на расстоянии.