Методы и средства контактных электроизмерений температуры

Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации

Донской Государственный Технический Университет

кафедра "Метрология и управление качеством"

_______________________________________________________

Реферат на тему:

«Методы и средства контактных электроизмерений температур»

Выполнил

Проверил

г. Ростов-на-Дону

2002

Введение

Современная термодинамика определяет температуру как величину, выражающую состояние внутреннего движения равновесной макроскопической системы и определяемую внутренней энергией и внешними параметрами системы. Непосредственно температуру измерить невозможно, можно лишь судить о ней по изменению внешних параметров, вызванному нарушением состояния равновесия благодаря теплообмену с другими телами.

Каждому методу определения температуры, в основе которого лежит зависимость между каким-либо внешним параметром системы и температурой, соответствует определенная последовательность значений параметра для каждого размера температуры, называемая температурной шкалой. Наиболее совершенной шкалой является термодинамическая температурная шкала (шкала Кельвина). Практическая ее реализация осуществляется с помощью Международной практической температурной шкалы (МПТШ), устанавливающей определенное число фиксированных воспроизводимых реперных точек, соответствующих температуре фазового равновесия различных предельно чистых веществ.

Исходным эталоном температуры является комплекс изготовленных в разных странах мира газовых термометров, по показаниям которых определяются численные значения реперных точек по от­ношению к точке кипения химически чистой воды при давлении 101325 Па, температура которой принята равной 100,00°С(373,15 К точно). Для практического воспроизведения и хранения МПТШ международным соглашением установлены единые числовые значения реперных точек, которые с развитием техники время от вре­мени уточняются и корректируются. Последняя корректировка была произведена в 1968 г. Согласно МПТШ—68 установлены следующие реперные точки, соответствующие давлению 101325 Па: точка кипения кислорода —182,97 °С (90,18 К), тройная точка воды (при давлении 610 Па) +0,01 °С (273,16 К), точка кипения воды +100,00 °С (373,15 К), точки затвердевания: олова +231,9681 °С (505,1181 К), цинка +419,58 °С (692,73 К), серебра +961,93 °С (1235,08 К) и золота +1064,43 °С (1337,58 К).

Весь температурный диапазон перекрывается семью шкалами, для воспроизведения которых в зависимости от области шкалы используются различные методы: от 1,5 до 4 К — измерение давления паров гелия-4, от 4,2 до 13,8 К — германиевые терморезисторы, от 13,8 до 273,16 К и от 273,16 до 903,89 К— платиновые терморезисторы от 903,89 до 1337,58 К — термопары платинородий — платина, от 1337,58 до 2800 К — температурные лампы и от 2800 до 100 000 К — спектральные методы.

Огромный диапазон существующих температур (теоретически максимально возможное значение температуры составляет 1012 К) обусловил большое разнообразие методов их измерения. Наиболее распространенные методы измерения температуры и области их применения приведены в таблице 1.

Таблица 1

Нас будут интересовать контактные методы и средства электроизмерения температур.

1. Общие сведения о термоэлектрических преобразователях

1.1. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ.
 ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Тепловым называется преобразователь, принцип действия которого основан на тепловых процессах и естественной входной величиной которого является температура. К таким преобразователям относятся термопары и терморезисторы, металлические и полупроводниковые. Основным уравнением теплового преобразования является уравнение теплового баланса, физический смысл которого заключается в том, что все тепло, поступающее к преобразователю, идет на повышение его теплосодержания QТС и, следовательно, если теплосодержание преобразователя остается неизменным (не меняется температура и агрегатное состояние), то количество поступающего в единицу времени тепла равно количеству отдаваемого тепла. Тепло, поступающее к преобразователю, является суммой количества тепла Qэл, создаваемого в результате выделения в нем электрической мощности, и количества тепла Qто, поступающего в преобразователь или отдаваемого им в результате теплообмена с окружающей средой.

Явление термоэлектричества было открыто в 1823 г. Зеебеком и заключается в следующем. Если составить цепь из двух различных проводников (или полупроводников) А и В, соединив их между собой концами (рис. 1а), причем температуру Θ1 одного места соединения сделать отличной от температуры Θо другого, то в цепи появится э.д.с., называемая термоэлектродвижущей силой (термо-э.д.с.) и представляющая собой разность функций температур, мест соединения проводников:

EAB(Θ1,Θ0) = f(Θ1) ‑ f(Θ0).

Подобная цепь называется термоэлектрическим преобразова . телем или иначе термопарой; проводники, составляющие термо­пару, — термоэлектродами, а места их соединения — спаями.

Рис. 1                                                                Рис. 2

При небольшом перепаде температур между спаями термо-э. д. с. можно считать пропорциональной разности температур: EAB = SABΔΘ.

Опыт показывает, что у любой пары однородных проводников подчиняющихся закону Ома, величина термо‑э.д.с. зависит только от природы проводников и от температуры спаев и не зависит от распределения температур между спаями.

Явление термоэлектричества принадлежит к числу обратимых явлений, обратный эффект был открыт в 1834 г. Жаном Пельтье и назван его именем. Если через цепь, состоящую из двух различных проводников или полупроводников, пропустить электрический ток, то тепло выделяется в одном спае и поглощается в другом. Теплота Пельтье связана с силой тока линейной зависимостью в отличие от теплоты Джоуля, и в зависимости от направления тока происходит нагревание или охлаждение спая.

Поглощаемая или выделяемая тепловая мощность пропорцио­нальна силе тока, зависит от природы материалов, образующих спай, характеризуется коэффициентом Пельтье πAB и равна qAB = πAB∙I.

Во второй половине XIX в. Томсоном был открыт эффект, заключающийся в установлении на концах однородного проводника, имеющего температурный градиент, некоторой разности потенциа­лов и в выделении дополнительной тепловой мощности при прохож­дении тока по проводнику, имеющему температурный градиент. Однако э.д.с. Томсона и дополнительное тепло настолько малы, что в практических расчетах ими обычно пренебрегают.

На рис. 1б показана принципиальная схема термоэлектрического преобразователя, который в зависимости от положения переключателя Кл может работать в режиме генератора электрической энергии (положение 1) и в режиме переноса тепла от источника с температурой Θ к резервуару с температурой Θ0.

К.п.д. термоэлектрического генератора зависит от разности температур и свойств материалов и для существующих материалов очень мал (при ΔΘ = 300° не превышае η = 13%, а при ΔΘ = 100° значение η = 5%), поэтому термоэлектрические генераторы исполь­зуются как генераторы энергии лишь в специальных условиях. К.п.д. термоэлектрического подогревателя и холодильника также очень малы, и для охлаждения к.п.д. при температурном перепаде 5° составляет 9%, а при перепаде 40° — только 0,6%; однако, несмотря на столь низкие к.п.д., термоэлементы используются в холодильных устройствах. В измерительной технике термопары получили широкое распространение для измерения температур; кроме того, полупроводниковые термоэлементы используются как обратные тепловые преобразователи, преобразующие электрический ток в тепловой поток и температуру.

Термопара с подключенным к ней милливольтметром, применяемая для измерения температуры, показана на рис. 2.

Если один спай термопары, называемый рабочим, поместить в среду с температурой Θ1, подлежащей измерению, а температуру Θ2, других, нерабочих, спаев поддерживать постоянной, то f(Θ0) = const и

EAB(Θ1,Θ0) = f(Θ1) – C=  f1(Θ1).

независимо от того, каким образом произведено соединение термо­электродов (спайкой, сваркой и т. д.). Таким образом, естественной входной величиной термопары является температура Θ1 ее рабочего спая, а выходной величиной — термо-э. д. с., которую термопара развивает при строго постоянной температуре Θ2 нерабочего спая.

Материалы, применяемые для термопар. В табл. 2 приведены термо‑э.д.с., которые развиваются различными термоэлектродами в паре с платиной при температуре рабочего спая Θ1 = 100° С  и температуре нерабочих спаев Θ2 = 0° С. Зависимость термо‑э.д.с. от температуры в широком диапазоне температур обычно нелинейна, поэтому данные таблицы нельзя распространить на более высокие температуры.

Таблица 2