КЛАСИФІКАЦІЯ МЕТОДІВ ТА ЗАСОБІВ ВИМІРЮВАННЯ ТЕМПЕРАТУРИ

В промисловій термометрії використовується 2 основних методи вимірювання температури:

- контактний, який реалізується первинним вимірювальним перетворювачем, який знаходиться в безпосередньому контакті з вимірювальним середовищем;

-та безконтактний, який реалізується в пірометрах, а температура визначається по тепловим електромагнітним випромінюванням нагрітих тіл.

У відповідності з основними методами вимірювання температури термометри класифікують наступним чином:

- контактні на:

1) термометри розширення: рідинні скляні (діапазон вимірювання від -200 до +600°C) та дилатометричні і біметалеві (від -150 до +700 °C). Принцип їхньої дії базується на зміні об’єму рідини чи лінійних розмірів твердих тіл при зміні температури;

2) манометричні термометри: (-200...+1000 °C) – в термометрах використовується зміна тиску газу, рідини чи пари в замкнутому об’ємі при зміні температури;

3) термометри опору, які використовують залежність електричного опору провідників та напівпровідників від температури і які поділяються на:

а) металеві ( від -260 до +1100 °C) та б) напівпровідникові (-275...+600°C);

4) термоелектричні термометри (термопари), які використовуються в діапазоні температур (-200...+2200 °C), а принци дії грунтується на зміні термоелектрорушійної сили (ТЕРС) в ланцюгу при нагріванні спаю двох різнорідних металів.

Безконтактні (пірометри) на:

а) квазімонохроматичні (700...10000° C);

б) спектрального відношення (300...2800 °C);

в) повного випромінювання (-50...3500 °C).

Принцип дії пірометрів базується на використовуванні яскравості горіння чи сумарного теплового випромінювання при нагріванні тіла.

Вибір того чи іншого методу та ЗВ для вимірювання температури залежить від багатьох факторів, основними із яких є: а) межі випромінювання температури; б) точність випромінювання; в) склад і властивості вимірювального середовища.

ТЕРМОМЕТРИ ОПОРУ

Принцип дії термометрів опору грунтується на властивості провідників (металів) та напівпровідників змінювати свій електричний опір R в залежності від зміни їхньої температури . В загального вигляді: = .

Така властивість металів характеризується температурним коефіцієнтом опору (ТКО), який визначається як відношення приросту опору провідника, що виготовлений із цього металу, до приросту температури, що привела до його нагрівання та зміни електричного опіру, та опору провідника . В загальному вигляді ТКО при малих приростах температури визначається

залежністю: = .

Для провідників (металів) - ТКО додатний і їхній опір зростає з зростанням температури, а перетворювачі, які виготовлені із металевого дроту називають (в загальному) терморезисторами. У напівпровідників навпаки – ТКО від’ємний і їхній опір електричному струму падає із ростом температури, а перетворювачі, що виготовлені із напівпровідникових матеріалів, називають термісторами.

В більшості провідникових і напівпровідникових тіл залежність опоруR від температури можна узагальнити формулою:

R = C * e^kT, (4.1)

де С та k – коефіцієнти, значення яких залежить від матеріалу, з якого виготовлений терморезистор; крім цього, Сзалежить від геометричних розмірів терморезистора, а k для напівпровідників - залежить і від температури;

е – основа натуральних логарифмів; Т– абсолютна температура, К.

На практиці, як правило, температуру вимірюють за шкалою Цельсія і, використовуючи співвідношення: T(К) = t(°C) + 273.15, приведена залежність активного опору від температури t(°C) приймає вигляд:

R = C * e^{k(273.15 + t)} = C * e^273.15k *e^kt. (4.2)

Значення виразу: C * e^273.15k = R₀ – приймається за початковий опір тіла при температурі 0°С. Відповідно:

R = R₀* e^kt. (4.3)

Так як для провідникових термометрів коефіцієнт k не залежить від температури, то формулу (3) можна переписати в іншому вигляді, розклавши її в ряд Макларена:

f(t) = R₀* e^kt = f(0) + f (0) + f (0) + f (0) +…=

= R₀(1+ t + t + t +…) =R₀(1+ t + t + t +…), (4.4)

де f (0), f (0), f (0),…. –частинні похідніфункціїe^kt .

В ПВП температури може використовуватись будь-який терморезистор,

але в якості засобів вимірювання температури з нормованими метрологічними характеристиками (НМХ) використовують термометри опору (ТО). ТО це терморезистори з НМХ, які виготовлені із чистих металів (міді, платини, нікелю, вольфраму або заліза) і які відповідають наступним вимогам:

- мають достатньо великий і незмінний в часі ТКО, який прийнято визначати для ТО в інтервалі температур від 0 до 100 С по залежності:

= , [ для більшості чистих металів 4*10 ( )]

де та - опір ТО при 0 та при 100 С, Ом;

- мають монотонну без гістерезису характеристику перетворення = ;

- мають високий питомий електричний опір, а метал ТО не вступає до взаємодії з вимірюваним середовищем.

Найбільше розпоширені провідникові ТО, які виготовляють із мідного дроту (використовуються для вимірювання температури від –50 до 180°С) або із платинового – для температур від 0 до 650°С.

ТО являє собою дріт певної довжини і діаметром 0,07мм, що намотаний на стержень із ізоляційного матеріалу (наприклад, слюди). Чутливі елементи ТО розміщують (рис. 4.2) в корпус (кожух) із нержавіючої сталі, який має різьбове з¢єднання для його кріплення до металевих стінок технологічного обладнання та головку, в якій розміщують клеми під¢єднання зовнішніх проводів. Для вимірювання температури в системах вентиляції і в приміщеннях, виготовляють спеціальні ТО, оболонка яких перфорується, для швидкого доступу повітря до чутливого елемента.

ТО мають при виготовленні нормоване (стандартизоване) значення R₀ при 0°С і зображуються як ТСМ для мідного дроту та ТСП – для платинового. Залежність опору ТО від температури називається градуювальною характеристикою. Для мідних ТО ця залежність має вигляд із двох членів формули (4):

R_м = R_0м*(1+a*t), (4.5)

де a = 4,26*10^-3 1/°С.

ТО із міді виготовляються із нормованим значенням опору R_ом при 0°С на 10, 50, та 100 Ом і їм присвоєні умовні позначення: 10М, 50М, 100М.

Для платинових ТО залежність (4) опору від температури визначається трьома членами формули (4) для температур 0°С:

R_n = R_0n *(1+a*t+b*t²), (4.6)

де a = +3.968*10^-3 1/°С; b = -5.847*10^-7 1/°С .

При вимірюванні температур < 0°С – градуювальна характеристика ТСП описується виразом із 4-х членів формули (4).

Платинові ТО теж мають нормовані значення R_0n при температурі 0°С і, по аналогії з мідними, в залежності від R_0n мають позначення: 1П, 5П, 10П, 50П, 100П, 500П.

Всі типи ТО виготовляється як взаємозамінні і для цього їхні типи, основні

параметри та розміри регламентуються відповідним стандартом. Основними

параметрами для забезпечення взаємозамінності ТО є допуски на відхилення їхнього опору при температурі 0 С (R₀) від номінального значення, що відповідає приведеному ряду, та на коефіцієнт W₁₀₀, який визначається відношенням: R₁₀₀/ R₀, тобто, відношенням опору ТО при температурі 100°С до його опору при 0°С і який залежить від чистоти дроту, із якого виготовлений ТО. Наприклад, для ТСП 50 - W₁₀₀ = 1.385; а для ТСМ 50 – W₁₀₀ = 1.391.

Платинові ТО використовуються як зразкові, еталонні та технічні, а мідні – тільки як технічні термометри. ТО із міді випускається 2-го та 3-го класів з абсолютними похибками від ± 0.3... 0.5°С до ±1...2 °С.