различных технологических процессов , эффективное управление различными агрегатами , машинами , механизмами требуют многочисленных измерений разнообразных физических величин . В настоящее время существует приблизительно следующее распределение доли измерений различных физических величин в промышленности : температура – 50%, расход ( массовый и объемный ) – 15%, давление – 10%, уровень – 5%, количество ( масса , объем ) – 5%, время – 4%, электрические и магнитные величины – менее 4%. Из этого распределения наглядно видно , что в современном промышленном производстве наиболее распространенными являются измерения температуры ( так , на атомной электростанции среднего размера имеется около 1500 точек , в которых производится такое измерение , а на крупном предприятии химической промышленности подобных точек присутствует свыше 20 тыс .). Широкий диапазон измеряемых температур , разнообразие условий использования средств измерений и требований к ним определяют , с одной стороны , многообразие применяемых средств измерения температуры , а с другой стороны , необходимость разработки новых типов первичных преобразователей и датчиков , удовлетворяющих возрастающим требованиям к точности , быстродействию , помехоустойчивости . Впрочем , число видов температурных датчиков , существующих в наши дни , также достаточно велико ; обо всех этих разновидностях и пойдет речь в данном реферате .
Электрические измерения и приборы
... величины в соответствии с прйнципом действия измерительного механизма, например при измерении в цепях переменного тока прибором, способным измерять постоянный ток. В качестве примера рассмотрим электромагнитный вольтметр ... измеряемой величине. В электрической цепи происходит преобразование измеряемой величины в ... камеры существуют зазоры). Преодолевая сопротивление воздуха, поршень расходует энергию ...
Измерение параметров вибрации с помощью датчиков (акселерометров)
... применение датчиков за последние годы в технике измерения и регулирования параметров различных ... разработке и производстве которых заинтересована промышленность, поэтому, несомненно, данная работа ... выходная величина, а m-входная. Датчик с точки зрения вида сигнала на его ... датчики ускорения, или акселерометры. Многие колебательные процессы, происходящие в механических системах, называют вибрациями. ...
Температурные датчики , их виды .
В основе работы любых температурных датчиков , использующихся в системах автоматического управления , лежит принцип преобразования измеряемой температуры в электрическую величину . Это обусловлено следующими достоинствами электрических измерений : электрические величины удобно передавать на расстояние , причем передача осуществляется с высокой скоростью ; электрические величины универсальны в том смысле , что любые другие величины могут быть преобразованы в электрические и наоборот ; они точно преобразуются в цифровой код и позволяют достигнуть высокой точности , чувствительности и быстродействия средств измерений .
Измерение электрических и магнитных величин
... Поэтому обнаружение электрических и магнитных величин, количественное определение их, а также изучение электрических и магнитных явлений возможно только при помощи средств измерения электрических и магнитных величин. Посредством магнитных измерений решается весьма ... Сопротивление R Ом Ом Энергия, работа W Джоуль Дж 1Дж= 1Вт 1с=1Н 1м Емкость С Фарада Ф = Индуктивность L Генри Гн Магнитные измерения ...
Термопреобразователи сопротивления .
Принцип действия термопреобразователей сопротивления ( термо — резисторов ) основан на изменении электрического сопротивления проводников и полупроводников в зависимости от температуры . Материал , из которого изготавливается такой датчик , должен обладать высоким температурным коэффициентом сопротивления , по возможности линейной зависимостью сопротивления от температуры , хорошей воспроизводимостью свойств и инертностью к воздействиям окружающей среды . В наибольшей степени всем указанным свойствам удовлетворяет платина ; в чуть меньшей – медь .
Разработка датчика мгновенных температур с диапазоном измерений от 0 до 100 С°
... данной курсовой работе приведен расчет погрешностей проектируемого датчика. В данной курсовой работе 39 страница, 8 таблиц, 10 рисунков, 1 приложение. Аннотация Конструкция датчика мгновенных температур. На рис 1. Показана упрощенная конструкция датчика мгновенных температур, ...
Платиновые терморезисторы предназначены для измерения температур в пределах от – 260 до 1100 0 С . В диапазоне температур от 0 до 650 0 С их используют в качестве образцовых и эталонных средств измерений , причем нестабильность градуировочной характеристики таких преобразователей не превышает 0,001 0 С .
Зависимость сопротивления платиновых терморезисторов от температуры определяется следующими формулами :
R t = R 0 (1 + At + Bt 2 ) при 0 < t < 650 0 C;
R t = R 0 [1 + At + Bt 2 + Ct 3 (t – 100)] при – 200 < t < 0 0 C,
где R t – сопротивление терморезистора при температуре t, 0 C ; R 0 – сопротивление при 0 0 C; A = 3,96847*10 – 3 ( 0 C) – 1 ; B = — 5,847*10 -7 ( 0 C) – 2 ; С = — 4.22*10 -12 ( 0 C) – 4 .
Методы и средства контактных электроизмерений температуры
... диапазон существующих температур (теоретически максимально возможное значение температуры составляет 10 12 К) обусловил большое разнообразие методов их измерения. Наиболее распространенные методы измерения температуры ... и области их применения приведены в таблице 1. Таблица 1 контактные методы и средства электроизмерения температур. ...
Платиновые терморезисторы обладают высокой стабильностью и воспроизводимостью харакетристик . Их недостатками являются высокая стоимость и нелинейность функции преобразования . Поэтому они используются для точных измерений температур в соответствующем диапазоне .
Широкое распространение на практике получили более дешевые медные терморезисторы , имеющие линейную зависимость сопротивления от температуры :
R t = R 0 (1 + α t ) при -50 < t <180 0 C,
Полупроводниковые датчики температуры
... промышленностью полупроводниковые датчики температуры с чувствительными элементами, созданными на основе окислов переходных металлов с неполностью заполненной 3d электронной оболочкой. Достоинством таких датчиков (обычно называемых терморезисторами) является большое значение температурного коэффициента сопротивления ...
где α = 4.26*10 – 3 ( 0 C) – 1 .
Недостатком меди является небольшое ее удельное сопротивление и легкая окисляемость при высоких температурах , вследствие чего конечный предел применения медных термометров сопротивления ограничивается температурой 180 0 C. По стабильности и воспроизводимости характеристик медные терморезисторы уступают платиновым .
Тепловая инерционность стандартных термометров сопротивления характеризуется показателем тепловой инерции ( постоянной времени ), значения которого лежат в пределах от десятков секунд до единиц минут . Постоянная времени специально изготавливаемых малоинерционных термометров сопротивления может быть уменьшена до 0,1 с .
Проводники, полупроводники и диэлектрики
... сопротивления в нуль Камерлинг-Оннес назвал сверхпроводимостью. В настоящее время сверхпроводимость обнаружена у более чем 25 металлических элементов, большого числа сплавов, некоторых полупроводников и полимеров. Температура Tкр перехода проводника ... разделения тел на проводники, полупроводники и диэлектрики. 1. Проводниковые материалы 1.1. Общие сведения В качестве проводников электрического тока ...
Находят применение также никелевые термометры сопротивления . Никель имеет относительно высокое удельное сопротивление , но зависимость его сопротивления от температуры линейна только до температур не выше 100 0 C, температурный коэффициент сопротивления никеля в этом диапазоне равен 6,9*10 – 3 ( 0 C) – 1 .
Медные и никелевые терморезисторы выпускают также из литого микропровода в стеклянной изоляции . Микропроволочные терморезисторы герметизированы , высокостабильны , малоинерционны и при малых габаритных размерах могут иметь сопротивления до десятков килоом .
По сравнению с металлическими терморезисторами более высокой чувствительностью обладают полупроводниковые терморезисторы ( термисторы ). Они имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления , значение которого при 20 0 C составляет (2 – 8)*10 – 2 ( 0 C) – 1 , т . е . на порядок больше , чем у меди и платины . Полупроводниковые терморезисторы при весьма малых размерах имеют высокие значения сопротивления ( до 1 МОм ). Для измерения температуры наиболее распространены полупроводниковые терморезисторы типов КМТ ( смесь окислов кобальта и марганца ) и ММТ ( смесь окислов меди и марганца ).
Датчик температуры
... температуры сопротивление проводника уменьшается. Rt = A*e^В/Т Rt - сопротивление проводника при Т, К. А – коэффициент (от материала проводника) Основные характеристики: 1 - температурный коэфф 2 - 3 - мощность рассеивания – мощность которая рассеивается от датчика ...
Термисторы имеют линейную функцию преобразования , которая описывается следующей формулой :
R t = Ae B/T ,
где T – абсолютная температура , A – коэффициент , имеющий размерность сопротивления , B – коэффициент , имеющий размерность температуры .
Серьезным недостатком термисторов , не позволяющим с достаточной точностью нормировать их характеристики при серийном производстве , является плохая воспроизводимость характеристик ( значительное отличие характеристик одного экземпляра от другого ).
Полупроводниковые датчики температуры обладают высокой стабильностью характеристик во времени и применяются для изменения температур в диапазоне от – 100 до 200 0 С .
Измерительная схема с участием термопреобразователей сопротивления чаще всего является мостовой ; уравновешивание моста осуществляется с помощью потенциометра . При изменении сопротивления терморезистора соответственно изменяется положение движка потенциометра , положение которого относительно шкалы формирует показание прибора ; шкала градуируется непосредственно в единицах температуры . Недостатком такой схемы включения является вносимая проводами подключения терморезистора погрешность ; поскольку из — за изменения сопротивления проводов при изменении температуры окружающей среды компенсация указанной погрешности невозможна , применяют трехпроводную схему включения проводов , при использовании которой сопротивления подводящих проводов оказываются в различных ветвях , и их влияние значительно уменьшается .
Термоэлектрические преобразователи ( термопары ).
Принцип действия термопар основан на термоэлектрическом эффекте , заключающемся в том , что в замкнутом контуре , состоящем из двух разнородных проводников ( или полупроводников ), течет ток , если места спаев проводников имеют различные температуры . Если взять замкнутый контур , состоящий из разнородных проводников ( термоэлектродов ), то на их спаях возникнут термоЭДС E(t) и E(t 0 ), зависящие от температур этих спаев t и t 0 . Так как эти термоЭДС оказываются включенными встречно , то результирующая термоЭДС , действующая в контуре , равна E(t) – E(t 0 ).
При равенстве температур обоих спаев результирующая термоЭДС равна нулю . Спай , погружаемый в контролируемую среду , называется рабочим концом термопары , а второй спай – свободным .
У любой пары однородных проводников значение результирующей термоЭДС зависит только от природы проводников и от температуры спаев и не зависит от распределения температуры вдоль проводников . Термоэлектрический контур можно разомкнуть в любом месте и включить в него один или несколько разнородных проводников . Если все появившиеся при этом места соединений находятся при одинаковой температуре , то результирующая термоЭДС , действующая в контуре , не изменяется . Это используется для измерения термоЭДС термопары . Создаваемая термопарами ЭДС сравнительно невелика : она не превышает 8 мВ на каждые 100 0 С и обычно не превышает по абсолютной величине 70 мВ .
Термопары позволяют измерять температуру в диапазоне от – 200 до 2200 0 С . Для измерения температур до 1100 0 С используют в основном термопары из неблагородных металлов , для измерения температур от 1100 до 1600 0 С – тер — мопары из благородных металлов и сплавов платиновой группы , а для измерения более высоких температур – термопары из жаростойких сплавов ( на основе вольфрама ).
Наибольшее распространение для изготовления термоэлектрических преобразователей получили платина , платинородий , хромель , алюмель .
При измерениях температуры в широком диапазоне учитывается нелинейность функции преобразования термоэлектрическогго преобразователя . Так , например , функция преобразования медь — константановых термопар в диапазоне температур от – 200 до 300 0 С с погрешностью ± 2 мкВ описывается эмпирической формулой
E = At 2 + Bt + C ,
где A, B и C – постоянные , определяемые путем измерения термоЭДС при трех известных температурах , t – температура рабочего спая при 0 С .
Постоянная времени термоэлектрических преобразователей зависит от их конструкции и качества теплового контакта рабочего спая термопары со средой и для промышленных термопар исчисляется в минутах . Однако известны конструкции малоинерционных термопар , у которых постоянная времени лежит в пределах 5 – 20 секунд и ниже .
Электроизмерительный прибор ( милливольтметр ) или измерительный усилитель термоЭДС могут подключаться к контуру термопары двумя способами : в свободный конец термопары или в один из термоэлектродов ; выходная термоЭДС от способа подключения измерительных устройств не зависит .
Как указано выше , при измерении температуры свободные концы термопары должны находиться при постоянной температуре , но как правило , свободные концы термопары конструктивно выведены на зажимы на ее головке , а следовательно , расположены в непосредственной близости от объектов , температура которых измеряется . Чтобы отнести эти концы в зону с постоянной температурой , применяются удлиняющие провода , состоящие из двух жил , изготовленных из металлов или сплавов , имеющих одинаковые термоэлектрические свойства с термоэлектродами термометра .
Для термопар из неблагородных металлов удлиняющие провода изготавливаются чаще всего из тех же материалов , что и основные термоэлектроды , тогда как для датчиков из благородных металов в целях экономии удлиняющие провода выполняются из материалов , развивающих в паре между собой в диапазоне температур 0 – 150 0 С ту же термоЭДС , что и электроды термопары . Так , для термопары платина – платинородий применяются удлинительные термоэлектроды из меди и специального сплава , образующие термопару , идентичную по термоЭДС термопаре платина — платинородий в диапазоне 0 – 150 0 С . Для термопары хромель – алюмель удлинительные термоэлектроды изготавливаются из меди и константана , а для термопары хромель – копель удлинительными являются основные термоэлектроды , но выполненные в виде гибких проводов . При неправильном подключении удлинительных термоэлектродов возникает существенная погрешность .
В лабораторных условиях температура свободных концов термопары поддерживается равной 0 0 С путем помещения их в сосуд Дьюара , наполненный истолченным льдом с водой . В производственных условиях температура свободных концов термопары обычно отличается от 0 0 С . Так как градуировка термопар осуществляется при температуре свободных концов 0 0 С , то это отличие может явиться источником существенной погрешности ; для уменьшения указанной погрешности , как правило , вводят поправку в показания термометра . При выборе поправки учитываются как температура свободных концов термопары , так и значение измеряемой температуры ( это связано с тем , что функция преобразования термопары нелинейна ); это затрудняет точную коррекцию погрешности .
На практике для устранения погрешности широкое применение находит автоматическое введение поправки на температуру свободных концов термопары . Для этого в цепь термопары и милливольтметра включается мост , одним из плеч которого является медный терморезистор , а остальные бразованы манганиновыми терморезисторами . При температуре свободных концов термопары , равной 0 0 С , мост находится в равновесии ; при отклонении температуры свободных концов термопары от 0 0 С напряжение на выходе моста не равно нулю и суммируется с термоЭДС термопары , внося поправку в показания прибора ( значение поправки регулируется специальным резистором ). Вследствие нелинейности функции преобразования термопары полной компенсации погрешности не происходит , но указанная погрешность существенно уменьшается .
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 :
R α = A α – 5 (e B/( α T) – 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 0 С , 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 0 С . 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 0 С . 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 0 С 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 10 3 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 0 С .
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 0 С составляет ± 0.02 0 С , а температуры 27 0 С — ± 0.002 0 С .
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 0 С . Погрешность преобразования составляет 1 – 5 %.
Температурный диапазон работы преобразователя с расширяющейся жидкостью зависит от температур замерзания и кипения последней ( для ртути — -39 – 357 0 С , для амилового спирта — -117 – 132 0 С , для ацетона — -94 – 57 0 С . 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 0 С для азота , — 269 0 С 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 .
Список литературы .
- К . Л . Куликовский , В . Я . Купер . Методы и средства измерений : Учеб . пособие для вузов . М .: Энергоатомиздат , 1986. – 448 с .: илл .
- М . А . Бабиков , А . В . Косинский . Элементы и устройства автоматики : Учеб . пособие для вузов . М .: Высшая школа , 1975. – 464 с .: илл .
