Термоиндикаторы и транзисторы-датчики температуры.

Термоиндикаторами называют вещества, меняющие свой цвет или форму при достижении определенной температуры. Различают обратимые и необратимые термоиндикаторы. По принципу действия все индикаторы делят на:

- меняющие свой цвет под воздействием температуры. При этом происходит химическое взаимодействие краски;

- термоградиентные краски, которые при изменении температуры максимально изменяют свою структуру, что при освещении белым светом заметно меняется цвет;

- плавкие вставки, которые пpи повышении температуры плавятся и изменяют свой цвет.

В последние годы термоиндикаторы, и особенно термокраски начали широко применяться в тех случаях, когда с помощью обычных термометров измерить температуру невозможно. Например, для измерения температуры интегральных схем транзисторы используют как датчики температуры при малых сигналах. Как известно, транзисторы имеют значительную температурную зависимость некоторых параметров, а именно:

- обратного тока коллекторного "p-n" перехода;

- обратного сопротивления эмитерного "p-n" перехода в пропускном режиме;

- падения напряжения на эмитерном " p-n " переходе.

При использование транзисторов по прямому назначению в различных схемах с этими явлениями ведут борьбу. При использовании же транзисторов, как сопротивления или как усилителя. При использовании транзистора как усилителя чувствительность его может достигнуть, значений 10³ мв/К, что приблизительно на 5 порядков выше, чем у термопар.

Итак, мы рассмотрели наиболее распространенные термометры, за исключением оптических пирометров. Последние будут рассмотрены позднее, а сейчас переходим к приборам, регистрирующим сигналы от термопар и термометров сопротивлений.

8.3. Приборы для измерения сигналов термопар.

 

8.3.1. Приборы магнитоэлектрической системы.

 

Как известно из курса электротехники, в магнитоэлектрических приборах (милливольтметрах) используется действие магнитного поля постоянного магнита на проводники, по которым течет ток. В результате взаимодействия проводников с магнитным полем рамки с магнитным полем возникает магнитоэлектрический момент, заставляющий поворачиваться рамку со стрелкой в определенном направлении. Магнитоэлектрическому моменту противодействует упругий момент, создаваемый до тех пор, пока магнитоэлектрический момент не станет равным противодействующему. Угол поворота рамки (величина отклонения стрелки) теоретически зависит только от силы тока, протекающего по рамке. Схема подключения термопары к минивольтметру (более точно к рамке милливольтметра) показана на рис.

 

Здесь сопротивление рамки; дополнительное сопротивление; сопротивление компенсационных поводов.

Развиваемая термопарой э.д.с. E(, ), определяется уравнением

 

 

Обычно шкалу милливольтметров градуируют в °С и предусматривают применение в паре с определенным типом термопары.

Милливольтметры, применяемые для измерения т.э.д.с. могут быть показывающими, самопишущими и регулирующими. По точности: переносные 0.5-2.0, щитовые - 2.5.

В последние годы в связи с развитием компенсационных методов измерения т.э.д.с. для ответственных измерений миллиамперметры применяются сравнительно редко.

Поверку милливольтметров производят путем сравнения их показаний с показаниями контрольных приборов более высокого класса точности.

В лабораторной практике для измерения малых изменений температуры с помощью термопар часто используют гальванометры (М195/1,2,3; м17; м20 и др.), которые представляют собой высокочувствительные приборы магнитоэлектрической системы. Схема подключения показана на рис.2

 

где сопротивления термопары, шунта, гальванометра, дополнительное соответственно.

При использовании гальванометров важным моментом является правильный выбор сопротивлений , в противном случае погрешность будет очень большой. Величины сопротивлений выбираются такими, что бы гальванометр давал максимальное отклонение при максимальной э.д.с. термопары. Из рисунка видно что:

Дополнительным условием является следующее:

 

Обычно выбирают , а затем из формулы (1) определяется .

 

8.3.2. Компенсационные приборы (потенциометры).

 

Как было показано в предыдущем параграфе, измерение т.э.д.с. термопары прямым путем, но сила тока в цепи постоянного сопротивления можно осуществить сравнительно просто.

Однако этот метод не позволяет получить необходимой точности.

Точные измерения т.э.д.с. обычно осуществляются с помощью компенсационных методов, т.е. методов при которых противопоставляется неизвестная величина известной.

Простейшая схема компенсационного метода показана на рис.3.

Неизвестный источник включен навстречу известному . Если , то тока в цепи не будет, что и будет отмечено нуль-гальванометром. Если ток появится при замыкании ключа К, то это значит что и надо выбирать другого значения.

 

Более удобно проводить измерения по схеме показанной на следующем рисунке.

 

 

Т.э.д.с. развиваемая термопарой и равная сравнимая с падением напряжения на участке ab цепи от постороннего источника напряжения.

Т.э.д.с. и падение напряжения включены навстречу друг другу.

 

 

Если напряжение = , то ток в цепи (1) равен нулю и нуль-гальванометр не реагирует.

 

Поскольку величина = . Отсюда видно, что, поддерживая одну из величин () постоянной, по изменению другой можно определять т.э.д.с. термопары.

Преимущество данного метода в том, что:

1. ток в цепи термопары отсутствует, а это значит, что сопротивление цепи не влияет на результат измерения.
2. Отсутствует измерительный прибор в измерительной схеме; гальванометр является только лишь индикатором, показывающим отсутствие тока.

 

В применяемых в настоящее время приборах, поддерживаемая постоянной сила тока в компенсационной цепи. такие приборы называются потенциометрами. В современных потенциометрах постоянство силы тока обеспечивается так называемыми нормальными элементами, которые после 100 лет эксплуатации (в определенных условиях) изменяют развиваемую ими э.д.с. Не более чем на 0.1%. Нормальные элементы являются обратимыми гальваническими элементами, в которых в качестве электролита применяют раствор сульфата кадмия, а полюсами – амальгата кадмия (-) и ртуть (+).

 

8.3.2.1. Лабораторные неавтоматические (ручные) потенциометры.

Схема ручного потенциометра показана на рисунке.

 

В положении переключателя 1 сопоставляют напряжение нормального элемента (НЭ) в цепи (1) с падением напряжения на участке “са” (сопротивление ) компенсационной цепи (2).

 

Если , что видно по отклонению стрелки гальванометра Г, то воздействуя на движок сопротивления , добиваются равенства . Тогда , т.к . Добившись равенства ставят переключатель в положение 2 и измеряют т.э.д.с. развиваемую термопарой в цепи (3).

Установку стрелки гальванометра на нуль при ее отклонении за счет сигнала термопары осуществляется с помощью сопротивления R. При этом = . Отсюда зная силу тока i, определяют т.э.д.с. термопары, т.е. =

Т.е величина т.э.д.с. получается прямо пропорциональной сопротивлению участка ab. Очевидно, что при меняя термопары с различными т.э.д.с. можно подобрать сопротивление соответствующее предполагаемому диапазону температур. Более того, можно отградуировать положение движка сопротивления R а Кельвинах. Такое градуированное сопротивление называется реохордом.

 

8.3.2.2. Автоматические потенциометры.

 

Выпускаемые в настоящее время автоматические потенциометры типа ЭПП-09 и КСП-4 могут регистрировать температуру в 24 точках. Класс точности 0.2 и 0.5. Быстродействие от нескольких секунд до долей секунды.

Схема одного из приборов приведена на следующем рисунке.

 

 

 

Назначение сопротивлений:

 

 

ИСП-06 источник стабилизированного питания.

 

8.4. Приборы для измерения сигналов от термометров сопротивления.

 

Для измерения сигналов от термометров сопротивления служат логометры и мосты. В последние годы применение логометров снизилось в связи с широким распространением электронных автоматических уравновешенных мостов, которые имеют более высокий класс точности.

Логометры представляют собой магнитоэлектрические миллиамперметры построенные по принципу сравнения силы токов в цепях термометра и постоянного сопротивления. Упрощенная принципиальная схема логометра показана на рис.

 

Между двумя полюсами магнита N и S и сердечником С расположены две жестко скрепленные друг с другом подвижные рамки 1,2. Обе рамки питаются от общего источника питания Б. Последовательно с рамкой 1 включается постоянное сопротивление , и последовательно с рамкой 2 – термометр .

 

Сила тока, протекающего по рамкам 1,2 соответственно равна

угол поворота рамок φ зависит от отклонения

или с учетом того что

 

Класс точности логометров по ГОСТ 9736-68 сост. 0.2; 0.5; 1.0 для переносных и 0.5; 1.0; 1.5; 2.0 для стационарных щитовых.

Логометры могут быть показывающими, самопишущими до 12 точек измерения, а также иметь дополнительные устройства для регулирования, сигнализации и т.д.

Мосты, применяемые для измерения сопротивления термометров, могут быть уравновешенными и неуравновешенными, ручными (неавтоматическими) и автоматическими. Простейшая схема уравновешенного моста показана на рис.

 

Термометр сопротивления и расположенные последовательно с ним два сопротивления линии включены в плечо СВ мостовой схемы. В другую диагональ моста ДВ подают напряжение от батареи Б. Изменяя величину сопротивления добиваются равенства напряжений в точках С и А, что контролируют гальванометром G. При этом , или

, откуда

 

 

Обычно сопротивления и постоянны (выполнены из манганина ), а сопротивления устанавливаются постоянными и тогда . Рассмотренная схема отличается высокой точностью измерения, если точно учесть сопротивления 2 . Это не везде представляется возможным поскольку зависит от температуры окружающей среды. Некоторую неопределенность вносит также сопротивление подвижного контакта . Оба недостатка можно исключить, если применить трехпроводную схему, показ. на рис.

В этой схеме питание моста (т.В) перенесено непосредственно к термометру для устранения влияния сопротивления , а подвижный контакт включен в диагональ СА, сопротивление которой в момент () практически не имеет значения. В момент равновесия по аналогии с предыдущим можно записать , откуда .

Очевидно, что если , то сопротивление не зависит от . Такое положение будет соответствовать лишь одной из точек шкалы, допустим, средней, т.к. сопротивление является переменным. Но если и , так, что влияние Δ будет незначительным. Величина доводится до установленного значения с помощью подгоночных катушек. Применив четырехпроводную схему, можно полностью исключить . Практически не применяют из-за сложности схемы; высокую точность достигают с помощью потенциометрических схем.

Недостаток уравновешенных мостовых схем – необходимость выполнения ручных манипуляций – устранен в схемах неуравновешенных мостов, показан на рис.

В диагональ СА вместо гальванометра включился миллиамперметр. Напряжение питания моста поддерживается постоянным. Контроль напряжений осуществляется включением контрольного сопротивления . При постоянных сопротивлениях плеч , и и переключателе в полож.2 ток в диагонали СА моста будет иметь определенное значение, что регистрируется миллиамперметром. Отклонение от установленной величины тока корректируется сопротивлением . После установления напряжения переключатель ставят в положение 1. и измеряют сопротивление по величине силы тока в диагонали СА.

Недостаток схемы – необходимость поддержания постоянного напряжения в настоящее время легко устраняется благодаря применению источников стабилизированного питания (ИПС-06). Но все же неуравновешенные мосты в последние годы применяются все реже и реже.

В промышленных условиях для измерения сопротивления термометров обычно применяют автоматические уравновешенные мосты, в которых перемещают движок реохорда (сопр. ) до тех пор, пока стрелка гальванометра не встанет на нуль, с помощью двигателя РД-09. Это выполняется также, как и в схемах потенциометров и поэтому любой потенциометр легко переделать для измерения сопротивления термометров изменив лишь измерительную схему потенциометра на мостовую.

 

 

.

На рисунке показана одна из схем автоматического электронного самопишущего моста, которая отличается от схемы потенциометра (стр.14) питанием и типом усилителя (~ ток 6.3 и усилитель ~ тока). Это исключает применение вибрационного преобразователя. В н.в. нашли широкое применение мосты КСМ-4, КСМ-2, ЭПМ-09.

Глава 8

 

Методы и приборы для измерения

температуры тел по их излучению.

 

Измерение высоких температур путем непосредственного соприкосновения измеряемой среды с термометром (контактным путем) часто неосуществимо. Нередко при измерениях относительно невысоких температур, контактный путь также неприемлем из-за больших погрешностей (систематических), или по тех­нологическим соображениям. Во всех этих случаях можно измерять температуру тел бесконтактным способом, с помощью пирометров, действие которых основано на использовании теплового излучения нагретых тел.

Измерение температуры тел с помощью пирометров может проводиться раз­личными методами. Чаще всего пользуются тремя, а именно:

1)Яркостным - по спектральной интенсивности излучения телом лучей опре­деленной длины волны(по величине ,Вт/ ).

2)Радиационным — по плотности интегрального излучения(E, Вт/ ).

3)Цветовым - по отношению спектральной интенсивности излучения телом лучей: двух - определенных длин волн.

Остановимся более подробно на сущности названных методов и устрой­стве приборов, основанных на этих методах().

8.1 Яркостные измерения температуры.

Определение температуры по спектральной интенсивности излучения, принципиально возможно для любой длины волны. Практически используют длины волн 0.65 мкм. Выбор таких длин, определяется, прежде всего, двумя причинами: а) при невысоких температурах ( 1000 К) интенсивность излучения красных лучей ( 0.65) выше других б) технически проще ведение узкой спектральной области.

Приборы, основанные на методе яркостного измерения температуры (яркостные пирометры), отградуированные на излучение абсолютно черного тела, при измерении действительной температуры Т реальных тел будут показывать более низкую температуру, которую называют яркостной.

Под яркостной температурой понимают ту температуру, при которой интенсивность излучения абсолютно черного тела, равна интенсивности из­лучения реального тела, при действительной температуре .

Согласно закону Вина: , :

Так как , то или логарифмируя, получаем откуда (8.1)

Если обозначить , (8.1) примет вид , (8.2)

Разность для мкм табулирована, в зависимости от и . Из таблиц видно, что при высоких температурах и небольших значениях , разность получается очень большой.

Итак, яркостная температура всегда меньше действительной температуры реального тела. Разность зависит от , причем чем выше , тем меньше. Для повышения у реальных тел применяют различные меры, а именно увеличивают шероховатость, создают специальные полости и т.д.

 

 

Остановимся на измерении яркостной температуры с помощью оптических пирометров.

Измерение яркостной температур, осуществляется путем сравнения интенсивности излучения волн, определенной длины измеряемого тела и регулируемого источника света, яркостная температура которого известна. В качестве чувствительного элемента, обычно служит глаз человека.

В СССР наибольшее распространение получили оптические пирометры, с исчезающей нитью, в которых интенсивность излучения тела на мкм. сравнивается с интенсивностью излучения нити электрической лампы накаливания, на тех же длинах волн. Нить лампы проектируется на фоне раскаленного тела. Схема пирометра показана на рис.

 

Яркостная температура определяется по показаниям миллиамперметра, отгра­дуированного в °С, градусах яркостной температуры. Уравнивание яркостей достигается изменением силы тока в лампе. Нить, нагретая меньше, чем рас­каленное тело, будет казаться темной на светлом фоне (рис.а), перегретая (рис.в).

Недостатком яркостных пирометров, является необходимость визуального отсчета и невозможность автоматической записи показаний. Однако, в настоящее время, этот недостаток можно устранит, применением фотоэлементов, например ФЭП-3, ФЭП-4.

8.2 Радиационные измерения температуры.

 

Измерение температуры по плотности интегрального излучения, прово­дится с помощью радиационных пирометров для всех длин волн, которые по­казывают недействительную температуру объекта, а более низкую, ра­диационную температуру.

Радиационной температурой , называют температуру, при которой плот­ность интегрального излучения абсолютно черного тела, равна плотности ин­тегрального излучения реального тела, при температуре . Зависимость плотности интегрального излучения от температуры показана на рис.

 

Зависимость, связывающая температуру и можно получить воспользовавшись законом Стефана-Больцмана. , , поскольку , то или . Разность т.е. . Полученная зависимость, табулирована при различных значениях .

Определение действительной температуры , нельзя считать надежным методом из-за трудностей оценки . Даже небольшие неточности в оценке , могут привести к большим ошибкам . Например, К ---- =40 К/ = 0.9

=285 K/ = 0.5

Поэтому при систематических измерениях температур одного и того же тела, в одинаковых условиях, часто ограничиваются оценкой радиационной температуры, не пересчитывая ее на действительную.

Приборы для измерения радиационной температуры - радиационные пирометры, позволяют проводить измерение с удовлетворительной погрешностью от 100°C и выше.

Приемник пирометра, чувствителен ко всем длинам волн измеряемого участка спектра и выполняется обычно в форме тонкой, металлической пластинки, пок­рытой сажей. Схема приемника показана на рис.

На пластинку попадает тепловой поток от нагретого тела. Температура пластинки устанавливается в результате теплового равновесия, между подводимым потоком лучистой энергии и измеряется несколькими последовательно соединенными термопарами (термобатареей). Тепловой поток попадает на приемник I. Слюдяное кольцо находится вне зоны действия излучения, иногда в качестве приемника излучения при­меняются полупроводниковые болометры, имеющие более высокие коэффициенты преобразования.

Металлический корпус с приемником излучения, оптической системой и другими дополнительными устройствами, называют телескопом радиационного пиро­метра. Существуют два вида телескопов: рефракторные (линзовые) и рефлекторные

(зеркальные). Схемы их показаны на рис.

Рефракторные телескопы, ограничивают пропускание длинных волн, и поэ­тому расчет действительной температуры по закону Стефана-Больцмана дает большие погрешности. Практически, эти пирометры вначале градуируют, а затем пользуются электрическими зависимостями для расчета .

Рефлекторные телескопы (см.рис.), концентрируют лучистый поток с помощью выткнутого стального позолоченного зеркала 2 и направляют его на чувствительный элемент. Практически рефлекторные телескопы отражают все длины. При измерениях низких температур расчет полностью подчиняется закону Стефана-Больцмана.

Основной недостаток рефлекторных телескопов — загрязнение открытой, поверх­ности зеркала и потускнение его. Применение защитных стекол, сводит на нет достоинства телескопов этого вида, и поэтому они используются часто, только для измерения низких температур.

Погрешность измерения радиационными пирометрами всех конструкций, существенно зависит от температуры внешней поверхности телескопа. При постоянной температуре измеряемого тела, и следовательно, постоянной температуре t приемника излучения, если возникают изменения температуры телескопа и в связи с этим изменится температура свободных концов термопар .

Для компенсации температуры свободных концов термопар, в СССР применялись два метода.

По первому методу шунтируют термобатарею сопротивлением . Для этого устанавливают сопротивление на корпус так, что бы температура свободных концов термопар и сопротивления были практически одинаковы.

<

>

При уменьшении температуры корпуса, уменьшается , но увеличивается и измеряемый сигнал изменяется мало. Величина , выбирается таким образом, что бы выполнялось это условие.

По второму методу, телескоп снабжается компенсирующим устройством, состоящим из биметаллических платин 2 и диафрагмирующим заслоном 3 (см.рис.).

<

>

При увеличении температуры корпуса, а вместе с ним и температуры свободных концов термобатареи, развиваемая его термо Э.Д.С. уменьшается. Уменьшение термо Э.Д.С. компенсируется с помощью биметаллических платин 2, которые при повышении температуры корпуса деформируются и раскрывают диафрагмирующие заслонки 3. В результате увеличивается поток и повышается температура чувствительного элемента 1 (точнее рабочих концов термопар), что и компенсирует увеличение температуры свободных концов.

 

8.3 Цветовые измерения температур.

 

Под цветовой температурой тела понимают температуру , при которой отклонение интенсивностей излучения, абсолютно черного тела, двух произвольно выбранных длин волн, равна такому же отношению интенсивностей излучения реального тела, для тех же длин волн при температуре .

Обычно сравнивают интенсивности в пределах видимого спектра ( мкм. либо 0.45 мкм. –синий, либо 0.55 мкм. –зеленый).

<

>

 

Действительную температуру , определяют при известных . Получим выражение для . Из определения: , или развертывая по закону Вина

или , логарифмируя, получим ,или ,отсюда (*)

Из (*) видно, что если , то и . Если , то при , , а если , то при ,

В видимой области спектра коэффициенты и и разность .

Приборы для измерения цветовой температуры – цветовые пирометры имеют сравнительно сложную схему, и здесь рассматриваться не будут. Отметим только то, что для сравнения яркостей в современных цветовых пирометрах, используются фотоэлементы, на которые подается излучение от нагретых тел, вначале в одном цвете (через один светофильтр), а затем в другом (через другой светофильтр). Импульсы фототока преобразуются в электронном усилителе в сигналы, пропорциональные логарифму отношения фототоков в соответствии со специальной градуировкой. В литературе (Чистяков теплотехнические измерения) приводится схема цветового пирометра ЦЭП -3.