Материал: 1827
Широкое распространение получили полупроводниковые термометры сопротивления, называемые термисторами. В качестве активных элементов в них используют окислы и соли титана, магния, никеля. Активное сопротивление термисторов падает с увеличением
температуры.
С2.4. Термоэлектрические термометры (термопары)
пециально изготовленные полупроводниковые термосопротивления могут быть использованы при низких (гелиевых) темпе-
ратурах порядка нескольких кельвин.
B эт х термоэлектрических термометрах (термопарах) исполь-
зуется явлен е термоэффекта, т.е. появление электрического тока при |
|||||||||
нагреван спая двух разнородных проводников (видео 5). |
|||||||||
и |
|
|
|
|
|
|
|||
Это про сход т вследствие разности работы выхода электронов (но- |
|||||||||
сителей электр ческих зарядов) с поверхности различных металлов. |
|||||||||
Если один спай контура, о разованного из различных металлов, по- |
|||||||||
местить бв измеряемую среду, а второй конец провода оставлять при |
|||||||||
известной постоянной температуре, то в случае наличия разницы |
|||||||||
температур спая и концов проводников по контуру пойдет электриче- |
|||||||||
ский ток (рис.8). |
А |
||||||||
|
|||||||||
2 |
|
|
|
|
1 |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
T2 |
4 |
|
|
T2 |
|
T2Д |
|||||||
|
|
|
|
3 |
|
И |
|||
3 |
|
|
4 |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
а |
|
|
|
б |
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
T1 |
|
|
|
T1 |
|
|
|
Рис. 8. Термопара: 1 – измерительный приборИ; |
|||||||||
2 – соединительные провода; 3, 4 – термоэлектроды; |
|||||||||
T1, Т2 – температура «горячего» и «холодного» |
|||||||||
|
|
|
контактов (спаев) термопары |
||||||
Электродвижущая сила такого контура зависит от материала проводников, а также от разности температур Т1 и Т2. Поэтому при
16
измерении температуры горячего спая температуру холодных спаев стабилизируют или вводят поправку на её изменение.
|
Термопары являются первичными преобразователями темпера- |
|||||||
туры в э.д.с. – сигнал, удобный для дистанционной передачи. Поэто- |
||||||||
му в измерительную цепь за термопарой может быть сразу включен |
||||||||
С |
|
|
|
|
|
|
||
измерительный прибор. |
|
|
|
|||||
|
Чувствительность термопар составляет 1–100 мкВ/К, а диапазон |
|||||||
измеряемых температур – от 77 К (температуры жидкого азота) до |
||||||||
1800 К. Для высок х температур применяют термопары из тугоплав- |
||||||||
при |
|
|
|
|||||
ких благородных металлов (табл. 2). |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 2 |
|
|
|
Характеристики стандартных термопар |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
ТЭДС, мкВ/К |
|
Верхний предел при режиме |
||
|
Термопара её т п |
t = 100 ºC, |
длительном |
кратковременном |
||||
|
|
|
|
t = 0ºC |
||||
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Плат на- |
А |
|
|
||||
|
|
|
|
|
||||
|
плативородий |
|
0,64 |
|
1300 |
|
1600 |
|
|
(ТПП) |
б |
|
|
|
|||
|
Хромель-алюмель |
|
4,10 |
|
900 |
|
1250 |
|
|
(ТХА) |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Хромель-копель |
|
Д |
|
||||
|
(ТХК) |
|
|
6,9 |
|
600 |
|
800 |
|
Железо-константан |
5,75 |
|
600 |
|
800 |
||
|
(ТЖК) |
|
|
|
|
|
|
|
|
Медь-константан |
|
4,75 |
|
350 |
|
500 |
|
|
(ТМК) |
|
|
|
|
|||
Как видно из табл. 2, термопарыИТПП дают сравнительно незначительную термоэлектродвижущую силу (ТЭ С), но обладают высокой температурной стабильностью и широко применяются для измерения высоких температур (например, для измеренияИтемпературы выхлопных газов двигатели внутреннего сгорания).
Следует отметить, что термопара способна измерить только разность температур tизм и t0 измеряемой внешней среды. Поэтому для измерения температуры термопарой необходимо использовать дополнительный термометр для определения температуры t0 внешней среды, в которой находится нерабочий спай.
17
2.5. Пирометры излучения
Для измерения высоких температур вышеперечисленные мето-
ды оказываются непригодными вследствие разрушения материала |
||||||
С |
|
|
|
|
||
датчика. Для измерения таких температур (свыше 1600 ºС) применя- |
||||||
ются пирометры излучения (видео 6). |
|
|
||||
П рометр – прибор для измерения температуры бесконтактным |
||||||
методом. Действ е пирометров основано на излучении нагретым те- |
||||||
чения |
|
|
|
|||
лом энерг , которая зависит от температуры |
и физико-химических |
|||||
свойств злучающего тела. По принципу действия пирометры излу- |
||||||
разделяют на оптические и радиационные. |
|
|||||
б |
|
|
||||
Пр нц п действия оптического пирометра с исчезающей ни- |
||||||
тью основан на сравнении монохроматической яркости излучения |
||||||
накаленного тела с монохроматической яркостью излучения нити |
||||||
спец альной п рометрической лампы накаливания. Принципиальная |
||||||
|
|
|
А |
|
|
|
схема оптического пирометра типа ОППИР-017 приведена на рис. 9. |
||||||
|
1 |
|
2 |
2 |
3 |
4 |
|
|
|
|
Д |
||
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
|
7 |
6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8 |
|
|
И |
Рис.9. Оптический пирометрИс исчезающей нитью: 1 – объектив; 2 – стекло; 3 – светофильтр; 4 – окуляр; 5 – пирометрическая лампочка; 6 – реостат;
7– гальванометр; 8 – показывающий прибор
Оптическая система пирометра представляет собой телескоп с объективом 1 и окуляром 4. Перед окуляром помещен красный светофильтр 3. Спектральная характеристика пропускания светофильтра подбирается с учетом спектральной чувствительности глаза так, чтобы при рассматривании объекта через светофильтр наибольшая видимая яркость соответствовала бы длине волны около 0,65 мкм. В фокусе объектива находится вольфрамовая нить пирометрической лампоч-
18
ки 5. Нить лампочки питается от аккумулятора; ее накал можно регулировать вручную реостатом 6.
В поле зрения телескопа наблюдатель видит участок излучающей поверхности накаленного объекта измерения и на этом фоне – нить лампочки. Если яркости нити и накаленного тела неодинаковы,
Снить будет видна более темной или более светлой, чем фон. Регулируя накал нити реостатом, наблюдатель добивается равенства яркостей, при этом зображение нити сольется с фоном и станет неразли-
чимо. В этот момент яркостная температура нити равна яркостной нититемпературе объекта измерения. Глаз весьма чувствителен к различе-
нию яркостей момент «исчезновения» нити улавливается с достаточной уверенностью. Показывающий прибор 8, включенный в цепь накал ван я, градуируется по образцовому пирометру или по
температурным лампам, в °С яркостной температуры.
Действ е оптических цветовых пирометров основано на том, |
|
что с зменен ем температуры меняется цвет накаленного тела. При |
|
А |
|
этом если выделить в спектре излучения накаленного тела два моно- |
|
хроматическихбизлучения с длинами волн, соответствующих, напри- |
|
мер, красному и синему свету, то с изменением цвета будет меняться |
|
соотношение яркостей этих излучений. |
|
Д |
|
В цветовых пирометрах измерение температуры осуществляется |
|
по величине отношения монохроматических яркостей накаленного |
|
тела в красной и синей областях спектра. Принципиальная схема цве- |
|
тового пирометра ЦЭП-2М представлена на рис.10. |
|
И |
|
Рис. 10. Цветовой пирометр: |
И |
|
|
1 – защитное стекло; 2 – объектив;
3 – обтюратор с красным и синим светофильтрами;
4 – фотоэлемент; 5 – усилитель;
6 – логарифмирующее устройство; 7 – гальванометр
19
Излучение объекта измерения через защитное стекло 1 и объектив 2 падает на фотоэлемент 4. Между объективом и фотоэлементом установлен вращающийся диск (обтюратор) 3, в который вставлены два светофильтра – красный и синий. Благодаря этому фотоэлемент попеременно освещается красным и синим светом и выдает поочередно импульсы тока, пропорциональные монохроматическим яркостям красного и синего излучений накаленного тела. Эти импульсы усил ваются ус л телем 5 и преобразуются специальным электрон-
ным логар фм рующим устройством 6 в постоянный ток, сила кото- |
|
рого пропорц ональна величине lnR, т.е. линейно зависит от обрат- |
|
С |
|
ной вел ч ны а солютной температуры тела. Выходной ток лога- |
|
|
рующего устройства измеряется и регистрируется показываю- |
щим |
рег стр рующим магнитоэлектрическим гальванометром 7, |
шкала |
д аграмма которого градуированы в градусах. Прибор гра- |
рифм |
|
дуируется по а солютно черному телу, поэтому его показания соот- |
|
ветствуют ст нной температуре абсолютно черного тела, а также |
|
зания цветового пирометра практически не влияют изменения коэф-
б "серых" тел. В отличиеАот пирометров с исчезающей нитью на пока-
фициента излучающей способности тела, обусловленные изменением его температуры, состояния поверхности, состава и другими причинами, а также не влияет ослаблениеДизлучения не вполне прозрачной атмосферой между объектом и датчиком. Благодаря этому цветовой пирометр обеспечивает высокую точность измерения: основная погрешность при измерении температуры "серых" тел не превышает ±1% верхнего предела измерения для данногоИподдиапазона.
В отличие от оптических пирометров с исчезающей нитью и цветовых пирометров, в радиационных пирометрах (рис. 11) используется тепловое действие полного излучения нагретого тела, включая как видимое, так и невидимое излучение. В связи с этим радиационные пирометры называются также пирометрами полногоИизлучения. В качестве чувствительного элемента в радиационных пирометрах используется термобатарея из нескольких миниатюрных последовательно соединенных термопар, рабочие спаи которых нагреваются излучением объекта измерения, фокусируемых с помощью оптической системы. Возникающая термоэлектродвижущая сила (ТЭДС) измеряется с помощью милливольтметра или автоматического потенциометра, градуированного в градусах [1,3].
20