Задание: проградуировать полупроводниковый и металлический термометры сопротивления и термоэлектрические термометры с предельной относительной погрешностью e, не превышающей 2%.
Оборудование и принадлежности: установка для проведения измерений температуры.
ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
Внешний вид установки показан на рис.1. На передней панели размещены тумблеры «Сеть» и «Нагрев» и цифровой индикатор измерителя температуры. Отдельно от измерительного прибора на платформе смонтирован нагреватель, в который вставлены 5 датчиков температуры.
Рис.1. Внешний вид установки.
Структурная схема экспериментальной установки для измерения температуры нагретого тела и изучения электрических термометров различных видов представлена на рис.2.
 |
3 4 5 6 7
|
2
8 1
Рис.2. Структурная схема установки.
Экспериментальная установка состоит из нагревателя 1 и помещенной над ним нагреваемой стальной пластины 2 с шестью отверстиями, в которые вставлены пять электрических термометров: образцовый термометр 3, металлический термометр сопротивления 4, полупроводниковый термометр сопротивления 5, термопары типа ТХА 6 и ТХК 7, измеряемые сигналы которых поступают в измерительный прибор (измеритель-регулятор «Сосна-002») 8. Нагреватель 1 и стальная пластина 2, температура которой измеряется пятью различными термометрами, находятся внутри стальной трубы, закрепленной на платформе. Измерительный прибор инициирует последовательно результаты измеренных сигналов от каждого термометра (верхнее табло) и номер термометра (нижнее табло). Цикл измерения длится 1 минуту. Единицы измерения образцового термометра – [0С], термометров сопротивления – [Ом], термопар — [мВ].
ТЕРМОМЕТРИЧЕСКОЕ ТЕЛО И ТЕРМОМЕТРИЧЕСКАЯ ВЕЛИЧИНА
Для описания поведения и свойств макроскопических систем обычно пользуются непосредственно измеряемыми величинами, которые характеризуют систему в целом и ее отношение к окружающей среде, но не имеют смысла в применении к отдельным частицам. К таким величинам, называемым макроскопическими параметрами, относится и температура, характеризующая степень «нагретости» тела.
Для измерения «нагретости» тел могут быть использованы любые свойства твердых, жидких и газообразных веществ, изменяющиеся в зависимости от «нагретости», т. е. от температуры: физическое или химическое состояния, линейные размеры, электрические свойства, скорость звука в газах, собственная частота колебаний кварцевых резонаторов и др. Температуру или «степень нагретости» измеряют с помощью термометра, который состоит из термометрического тела и термометрической величины. Тело, выбираемое для измерения «нагретости», называется термометрическим, а величина, посредством которой измеряется «нагретость», называется термометрической величиной. Однако многие из вышеперечисленных термометрических величин можно измерять только с применением сложной и дорогостоящей аппаратуры или при жесткой стабилизации параметров окружающей среды. Поэтому рассмотрим только электрические методы измерения температуры, которые нашли широкое применение в научно-исследовательских лабораториях и промышленности.
В настоящее время разработаны технологии, позволяющие изготавливать чувствительные элементы контактных электрических термометров с чрезвычайно малыми размерами. Это положительно повлияло на уменьшение помех – искажений температурного поля вокруг самого датчика и на динамику процесса измерения. Электрические термометры легко подключаются к микропроцессору или ПЭВМ, что позволяет корректировать и протоколировать данные и управлять экспериментом или технологическим процессом.
На рис.3 указаны области применения некоторых типов термометров. Штриховыми линиями показаны области температур, в которых термометры могут быть использованы только кратковременно. При длительном воздействии таких температур ухудшается точность измерения или изменяются механические свойства чувствительного элемента.
термопары
платиновые термометры сопротивления
медные термометры сопротивления
никелевые термометры сопротивления
NTC терморезисторы
PTC терморезисторы
стеклянные жидкостные термометры
-200 0 500 1000 1500 0C
Рис.3. Области применения термометров.
ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ШКАЛЫ И ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ.
Температурные измерения должны проводиться по соответствующей шкале. Одной из таких шкал является термодинамическая температурная шкала, основанная на втором начале термодинамики. Однако эту шкалу очень трудно воспроизвести. Поэтому для практического использования была введена эмпирическая международная практическая температурная шкала (IPT, МПТШ), которая основывается на шести первичных (основных) и многочисленных вторичных реперных точках, характеризующих естественные температуры фазовых превращений (главным образом это температуры затвердевания и кипения), и на интерполяционных уравнениях, используемых между этими точками. Реперные точки могут быть воспроизведены в любое время с высокой точностью. Для измерений между основными реперными температурами используют интерполяционные эталонные приборы: платиновый термометр сопротивления, термоэлектрические термометры (термопары) с электродами из платинородиевого сплава и платины и оптические пирометры. Различия между обеими указанными выше шкалами пренебрежимо малы.
В зависимости от того, какой температуре присвоено нулевое значение, получают шкалу Кельвина или шкалу Цельсия. Шкала Кельвина начинается с абсолютного нуля, причем единица 1 кельвин [K] согласно определению составляет 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды (которая практически не зависит от давления):
1 К = (Ттройной точки – Табсолютного нуля)/273,16.
Температура в кельвинах обозначается буквой Т.
Температурная шкала Цельсия начинается с температуры таяния льда. Нулевая температура этой шкалы лежит на 273,15 К выше абсолютного нуля и на 0,01 К ниже тройной точки воды, которая является одной из основных реперных точек. Температуры точек кипения воды и таяния льда являются функциями давления Р; при Р0 = 1,013×105 Па градус по шкале Цельсия определяется как
10С = (tточки кипения – tточки таяния)/100,
Причем 10С = 1 К.
Температура по шкале Цельсия обозначается буквой t.
Численное соотношение между этими температурами имеет вид
t[ C] = T[K] – 273,15.
Поверку и калибровку термометров осуществляют сравнением их показаний с температурной шкалой. Практически это можно сделать двумя способами: сравнением показаний в нескольких основных или вторичных реперных точках, или сравнением с показаниями образцового (стандартного) термометра в идентичных условиях окружающей среды.
Поверку в реперных точках проводят довольно редко, т. к. для такой поверки требуется специальное сложное оборудование. Исключением являются те реперные точки, которые могут быть реализованы простыми средствами в любой лаборатории: точка таяния льда (0,00 0С), тройная точка воды (0,01 0С), точка кипения воды при нормальном давлении Р0 = 1,013×105 Па (100,00 0С), а иногда и точка кипения серы (444,6 0С).
Поверка датчиков температуры осуществляется проще, если применить сравнение с показаниями образцового (стандартного) прибора – стеклянного жидкостного термометра, термометра сопротивления, термоэлектрического термометра, зависимость которого от температуры известна заранее. Такие сравнительные измерения могут быть проведены в большинстве лабораторий, если только в них есть соответствующие устройства, в которых можно в течение некоторого времени поддерживать постоянную температуру, варьируя ее в определенных рабочих пределах. Качество поверки определяется точностью образцового термометра, поэтому оно ниже, чем при поверке по реперным точкам. Однако для большинства температурных измерений достигаемая точность поверки достаточна.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОНТАКТНЫЕ ТЕРМОМЕТРЫ
В промышленной практике температуру измеряют в основном термометрами, действие которых основано на изменении электрических свойств различных веществ с изменением температуры. Важнейшими методами, позволяющими решить практически все проблемы измерения температуры (за исключением областей очень низких и очень высоких температур), является определение положительного или отрицательного изменения сопротивления металлов или полупроводников (термометров сопротивления), а также термоэлектродвижущей силы, возникающей при контакте пары, составленной из двух различных металлов или из металла и сплава (термоэлектрических термометров, термопар). Электрические термометры имеют высокую точность, хорошие динамические свойства и широкий диапазон измерения.
Термометры сопротивления
Электрическое сопротивление большинства материалов существенно изменяется с температурой. Температурная зависимость электрического сопротивления металлических проводников обусловлена наличием свободных электронов связи в кристаллической решетке металлов: при повышении температуры электрическое сопротивление увеличивается. В полупроводниках обычно наблюдается недостаток электронов проводимости; они высвобождаются только при подводе тепловой энергии (повышении температуры). В этом случае с повышением температуры электрическое сопротивление уменьшается.
В отличие от термопар, с помощью которых можно измерять только разность температур по отношению к некоторой известной температуре, термометр сопротивления позволяет измерять и абсолютные значения температуры. Для них необходим вспомогательный источник напряжения, тогда как для термопар он не требуется. Диапазон измерений термометрами сопротивления ограничен высокими температурами; нелинейность температурной характеристики в зависимости от материала чувствительного элемента иногда может быть довольно значительной.
Зависимость сопротивления металлических проводников от температуры может быть с весьма высокой точностью описана уравнениями третьей степени. Однако при обычных требованиях к точности ограничиваются линейной функцией:
Rt = R0(1 + at), (1)
Где Rt и R0 — величина сопротивления (Ом) проводника при температуре t и 0 0С, a — линейный температурный коэффициент сопротивления, К-1.
Регламентируют среднее относительное изменение сопротивления в расчете на один градус в диапазоне от 0 до 100 0С:
a =(DR/Dt)/R0 = (R100–R0)/100R0 [K-1], (2)
Где R100 и R0 – значения сопротивления, определяемые в точке кипения и в точке замерзания воды; обычно используют R0 = 100 Ом.
В качестве материала для термометров сопротивления используют металлы с хорошей электрической проводимостью, например платину (a = 3,85×10-3 К-1 ), никель (a = 6,17×10-3 К-1 ) и медь (a = 4,27×10-3 К-1 ).
Чувствительные элементы термометров сопротивления имеют линейные размеры порядка нескольких миллиметров.
Полупроводниковые термометры сопротивления
Их называют также терморезисторами или термисторами. Имеются два различных типа терморезисторов: с отрицательным (терморезисторы NTC) и с положительным (терморезисторы РТС, позисторы) температурным коэффициентом сопротивления. При очень низких температурах все полупроводники являются идеальными изоляторами. Увеличение их электрической проводимости с повышением температуры приблизительно выражается экспоненциальной функцией
R2 = R1exp b(1/T2 – 1/T1), (3)
Где R2 и R1 – значения сопротивления (Ом) чувствительного элемента при абсолютной температуре Т2 [K] и при эталонной температуре Т1, например при Т1 = 273,15 К; b – некоторая постоянная величина, зависящая от материала; ее численное значение может составлять 3000 – 4000 К.
Экспоненциальная характеристика, описываемая этой формулой, имеет большой и сильно изменяющийся температурный коэффициент a, благодаря которому терморезисторы получили распространение в лабораторной и производственной практике. У терморезисторов NTC он изменяется в диапазоне от –1 до – 6 К-1. Сопротивления самих терморезисторов колеблется от 1 кОм до 1 МОм; в сравнении с ним изменения сопротивления на клеммах и в соединительных проводах незначительны и ими можно пренебречь. Это является одним из существенных преимуществ терморезисторов перед обычными термометрами сопротивления и термопарами.
Терморезисторы NTC изготавливают из смесей оксидов металлов, которые спекаются при высоких температурах, образуя маленькие шарики, пластинки или стерженьки размерами менее 1 мм. Однако в зависимости от места установки каждый чувствительный элемент должен быть защищен – обычно тонкой стеклянной, керамической или стальной оболочкой.
Для измерения сопротивления используют преимущественно электрические схемы в виде мостов. Линеаризация нелинейной зависимости между температурой Т и сопротивлением R для всех чувствительных элементов термометров сопротивления обеспечивается операционными усилителями либо при помощи микропропроцессоров или ПЭВМ.
Термоэлектрические термометры
Зеебек установил, что если электрическая цепь состоит из двух различных металлов или сплавов и точки их соединения (спаи) находятся при различных температурах, то в цепи должен протекать ток, рис.4. При
металл А металл А
T
1 t0 t1 t0
металл B металл B
Рис.4. Термоэлектрический эффект Зеебека.
Размыкании цепи на ее концах можно измерить разность потенциалов — так называемую термоэлектродвижущую силу (т. э.д. с.), которая будет мерой разности между измеряемой температурой Т1 и контрольной температурой Т0 холодного спая.
Зависимость между т. э.д. с. и разностью температур в общем случае нелинейная и может быть выражена уравнением третьей степени. Однако при небольших изменениях температур характеристики многих термопар могут быть линеаризованы без большого ущерба для точности:
DЕ = КDТ [мВ], (4)
Где К – коэффициент т. э.д. с., зависящий также и от уровня температуры, мВ/К.
Используя уравнение для т. э.д. с., можно для каждой комбинации материалов термопары построить график зависимости т. э.д. с. термопары от измеряемой температуры Т1, полагая, что температура ее другого спая Т0 = 0 0С. Если контрольная температура Т0 ¹ 0 0С, а поддерживается постоянной или даже вообще непостоянна, то в измеренное значение т. э.д. с. DЕи нужно внести поправку DЕк, которая соответствует отклонению контрольной температуры от Т0 = 0 0С:
DЕ = DЕи + DЕк.
В приборах для измерения температуры при помощи термопар температура спая Т0 может измеряться с помощью терморезистора, а значение т. э.д. с. автоматически исправляется по этой формуле при обработке результатов измерения микропроцессором или ПЭВМ.
Порядок выполнения задания
1. Тумблером «сеть» включить напряжение питания прибора.
При этом многоканальный измерительный прибор автоматически устанавливается на измерение температуры в первом канале, т. е. температуры образцового термометра.
2. Тумблером «нагрев» включить нагрев стальной пластины, в которую вставлены электрические термометры. При достижении определенной температуры нагрев пластины автоматически прекратится, показания температуры образцового термометра перестанут увеличиваться.
3. Нажать два раза на сенсор «D» измерительного прибора, чтобы включить «Циклический вывод» — смена каналов измерений начнет осуществляется автоматически по циклу.
НЕ НАЖИМАТЬ ДРУГИХ СЕНСОРОВ!!!!!
4. Подождать несколько минут пока не установится тепловое равновесие пластины. Записать в таблицу результаты измерений остывания стальной пластины для всех 5 термометров.
5. Построить графики зависимости сопротивления и т. э.д. с. от температуры образцового термометра для 4, 5, 6 и 7 термометров.
6. По формулам (2), (3) и (4) определить постоянные величины a, b и К для соответствующих термометров.
7. Оценить относительную погрешность измерения температуры изучаемыми термометрами.
На основании проделанных измерений сформулировать цель работы и сделать выводы.
Контрольные вопросы
1. Что такое “термометрическое тело и термометрическая величина”?
2. Какие температурные шкалы и единицы измерения используются для определения температуры?
3. Как объяснить зависимость сопротивления от температуры для полупроводникового и металлического термометров?
4. Какой физический смысл линейного температурного коэффициента сопротивления? От чего он зависит?
5. Какай физический смысл коэффициента т. э.д. с.? От чего зависит этот коэффициент?
ЛИТЕРАТУРА:
1. Измерения в промышленности. Справочник, Т.2.,1990. М., Металлургия.
2. Сосновский А. Г., Столярова Н. И. Измерения температур, 1970. М.
3. Датчики физических величин. Дж. Аш и соавторы. Перевод с французского. Т. 1, 1990, М.