Методи та засоби вимірювання температури

Температуру вимірюють безконтактним і контактним методами. Безконтактним методом температуру досліджуваного об’єкта визначають на основі вимірювань параметрів їх теплового випромінювання. Вимірювання здійснюються дистанційно (безконтактно), за допомогою вимірювальних приладів – пірометрів.

За контактним методом безпосередньо у середовище, температуру якого вимірюють, поміщають тепловий первинний вимірювальний перетворювач, вихідна величина якого є функцією температури.

У якості теплового первинного вимірювального перетворювача у контактних електричних термометрах використовують термоелектричні та терморезистивні перетворювачі.

Для промислового вимірювання температури в діапазоні від мінус 260 до плюс 1100^◦С найчастіше використовують платинові терморезистивні перетворювачі температури завдяки їх високій точності та часовій стабільності. Недоліком платинових термометрів опору (ТО) є нелінійність функції перетворення, особливо в діапазоні низьких температур (від мінус 260^◦С до 0^◦С), в якому їх чутливість нижча. З високих температур (понад 1000^◦С) на стабільність впливає випаровування платини. Такі чинники і обмежують застосування платинових ТО.

ТО з міді та нікелю мають значно меншу стабільність в часі, що і визначає їх нижчий клас точності. Переваги мідних ТО – це лінійність функції перетворення., але діапазон перетворюваних температур для мідних ТО становить від мінус 200^◦С до плюс 200^◦С.

Під’єднання ТО у вимірювальне коло за допомогою з’єднувальних проводів з опором R_Л може суттєво вплинути на точність вимірювання температури. Опір з’єднувальних проводів треба підлаштовувати до значення, за якого градуюється показу вальний прилад. Значення цих опорів вказують на шкалі приладу або у якого паспорті.

Існують дво-, три- та чотири провідні схеми під’єднання ТО до вимірювального приладу. Вимірюючи температуру із застосуванням терморезистивних перетворювачів, потрібно враховувати можливість появи додаткових похибок, які виникають від нагрівання їх вимірювальним струмом. Щоб згадані похибки були малими, значення вимірювального струму повинно бути таким, щоб зміна опору не перевищувала 0,1%.

Як вторинні прилади у комплекті з терморезистивними перетворювачами використовують мостові кола: зрівноважені та неврівноважені автоматичні мости, а також логометри та цифрові вимірювальні прилади.

На рис. 9.28 наведена схема автоматичного моста для вимірювання температури.

Рис.9.28 - Схема автоматичного моста для вимірювання температури

ТО вмикається в плече моста, яке прилягає до реохорда як наслідок, зміна опору реохорда буде пропорційна зо зміни опору ТО, яка зумовлена зміною вимірюваної температури

(9.20)

Для зменшення впливу опорів ліній у схемі використовують три провідне ввімкнення ТО, опір окремих з’єднувальних проводів вмикається послідовно в сусідні плечі моста та діагональ живлення.

Неврівноважені мости застосовують у пристроях вимірювання температури рідше, ніж зрівноважені – рис. 9.29.

До недоліків незрівноважених мостів належить не лінійність їх функцій перетворення, залежність вихідної напруги від напруги джерела живлення. Проте через їх виняткову простоту за наявності стабілізованих джерел напруги незрівноважені мости використовують для вимірювання температур у вузькому температурному діапазоні, коли не лінійністю функцій перетворення незрівноваженого моста можна знехтувати або зробити прилад з нелінійною шкалою.

Рис. 9.29 – Схема неврівноваженогомоста

Сучасні автоматичні мости мають класи точності 0,25; 0,5; 1,0, які виражені у вигляді допустимої основної зведеної похибки, яка дорівнює

, (9.21)

де - граничне значення основної абсолютної похибки, Ом;

- нормоване значення, яке дорівнює різниці опорів термоперетворювача опору, що відповідають кінцевій та початковій температурам з діапазону вимірювань моста, Ом.

Метрологічні характеристики деяких автоматичних мостів, призначених для вимірювань температури у комплекті з терморезистивними перетворювачами опору, наведено в таблиці 9.4.

Таблиця 9.4

Метрологічні характеристики автоматичних мостів та цифрових приладів для вимірювання температури у комплекті з термоперетворювачами опору

Загальні особливості побудови цифрових вимірювачів температури пов’язані з низьким рівнем сигналів первинних вимірювальних перетворювачів, виском рівнем завад нормального та спільного видів, необхідністю лінеаризації загальної функції перетворення.

У цифрових термометрах з терморезистивними перетворювачами є аналогова та цифрова частини. Аналогова частина містить:

- перетворювач напруга – струм та перетворювач струм – напруга;

- суматор СМ;

- масштабний резистор R_ON;

- масштабний підсилювач МП;

- перетворювач напруги на інтервал часу ПНЧ;

- блок опорної напруги Е_О;

- блок керування аналоговою частиною БКА.

Аналогова частина екранована та гальванічно розділена з його цифровою частиною за допомогою блока гальванічного розділення БГР. Цифрова частина складається з блока керування БК, блока корекції адитивної похибка БАП, блока цифрової лінеаризації БЦЛ та блока відображення інформації БВІ.

Для усунення впливу з’єднувальних проводів терморезистивні перетворювачі можуть приєднуватись до ЦВТ як чотирипровідною лінією до струмових С1, С2 та потенціальних П1, П2 входів, так й трьохпровідною лінією. При чотирипровідному під’єднанні вплив з’єднувальних проводів усувається повністю.

Розглянемо теоретичні положення щодо визначення похибок вимірювання температури терморезистивними термометрами.

Похибка вимірювання температури за допомогою термоперетворювача опору та вторинного приладу (автоматичного моста або цифрового вимірювального приладу) має такі складові:

, (9.22)

де - відповідно похибки термоперетворювача опору та вторинного приладу,^◦С

Похибка маж дві складові – інструментальну і методичну.

Граничне значення основної інструментальної похибки термоперетворювача опору, зумовлене відхиленням його дійсної статичної характеристики перетворення від номінальних статичних характеристик перетворення (НСХП), які наведені в таблиці 9.5.

Похибка показу вторинного приладу складається з його основної та додаткових інструментальних похибок. При використанні автоматичного моста граничне значення його основної похибки розраховується за формулою

, (9.23)

де - допустиме значення основної абсолютної похибки моста, Ом.

Визначається з формули (9.24);

- чутливість термоперетворювача опору, Ом/^◦С.

Таблиця 9.5

Границі допустимих відхилень характеристик перетворення

термоперетворювачів опору від НСХП

Тип перетворювача	Клас допуску	Діапазон температур,◦С	Границі допустимих відхилень від НСХП, ,◦С
Платиновий (ТСП)	А	-260…-250	3,0
-250…-200	1,0
-200…+750
В	-200…+1100
С	-100…+1100
Мідний (ТСМ)	В	-200…+200
С	-200…+200

Допустима основна зведена похибка моста дорівнює

, (9.24)

де - нормоване значення, яке дорівнює різниці опорів термоперетворювача опору, що відповідають кінцевій та початковій температурам з діапазону вимірювань моста, Ом.

, (9.25)

При використанні цифрового вторинного приладу граничне значення його основної похибки визначають за формулою

(9.26)

Приклад 1. Оцінити похибку вимірювання температури = 700◦С за допомогою цифрового вимірювального приладу типу ЦР7701-05 класу точності 0,1/0,05 з діапазоном вимірювання від мінус 50◦С до плюс 1000◦С, який працює в комплекті з платиновим термоперетворювачем опору класом допуску В. Розв’язання:1.Граничне значення похибки термоперетворювача опору ТСП класу допуску В при температурі 700◦С визначається за формулою ; 2. Граничне значення похибки цифрового приладу обчислюється за формулою (5), при цьому граничне значення відносної похибки дорівнює ; ; 3. Результуюча похибка вимірювання температури = 700◦С буде дорівнювати

Термоелектричні термометри використовуються для вимірювання температури у діапазоні від мінус 270 до плюс 4000 ⁰С. Робочий кінець перетворювача поміщають у середовище, температуру якого вимірюють, а вільні кінці підє’днують до вторинного приладу за допомогою спеціальних термоелектродних проводів, які виготовляють з того самого матеріалу, що й термоелектроди термоелектричного перетворювача.

Як вторинний прилад у комплекті з термоелектричними перетворювачами використовують пірометричні мілівольтметри, автоматичні компенсатори та цифрові вимірювальні прилади.

Найпростіше вимірювальне коло термометра з термоелектричним перетворювачем - термопарою, зображено на рис. 9.30.

Рис.9.30 - Вимірювальне коло термометра з термоелектричним

перетворювачем - термопарою

Якщо температура вільних кінців термопари Т₀ й опір всього вимірювального кола будуть незмінними, покази мілівольтметрів визначатимуться значенням вимірюваної температури Т_х. Для того щоб зменшити залежність показів приладу від опру вимірювального кола, потрібно дотримуватись умови

, (9.27)

При цьому похибка, яку вносить зовнішній опір вимірювального кола, буде дорівнювати

, (9.28)

Потрібно також зазначити, що, так як функція перетворення термоелектричного перетворювача загалом нелінійна, то для переведення показів мілівольтметра у значення вимірюваної температури необхідно користуватись таблицями градуювання термоелектричного перетворювача.

Обов’язковою умовою, якої необхідно дотримуватись, працюючи з таким приладами, є забезпечення відповідності опору всього вимірювального кола приладу його градуювальному значенню, тобто такому значенню, за якого градуювався прилад. Для налагоджування опору кола використовується шпуля R_під – рис.9.31.

Рис. 9.31 - Вимірювальне коло термометра з термоелектричним

перетворювачем – термопарою зі шпулею

Одним з способів усунення похибки від зміни температури вільних кінців є їх термостатування. Оскільки термостатувати головку термоелектричного перетворювача, де закінчуються термоелектрони (їх вільні кінці), практично неможливо, то необхідно продовжити електроди перетворювача, не спотворюючи його термо-ЕРС, щоб відвести вільні кінці в таке місце, де їх зручно термостатувати. Подовжувальні термоелектродні проводи ЗТЕ виготовляють не з тих самих дорогих металів, що й основні термоелектроди. Проте вони повинні бути термоелектрично ідентичними з відповідними електродами основної термопари, щоб запобігти виникненню паразитної термо-ЕРС.

У промислових умовах для введення коригування від зміни температури вільних кінців на покази приладу використовують пристрої автоматичного введення поправок. Таким пристроєм може бути мостове коло – рис.9.32, яке складається з температурозалежних манганінових опорів R₁,R₂, R₃ та опору R₄ з міді чи нікелю, опір яких змінюється залежно від температури. Якщо температура термозалежного резистора, як і температура вільних кінців термопари, дорівнюватиме, наприклад, 0⁰С, то міст повинен перебувати у рівновазі. В разі відхилення цієї температури від 0⁰С викликана цією зміною температури зміна теро-ЕРС термопари компенсуватиметься напругою небаланса моста, зумовленою зміною опору R₄.

У цифрових термометрах похибку від зміни температури вільних кінців можна повністю усунути вимірюванням температури вільних кінців і автоматичним внесенням відповідних поправок.

Рис.9.32 - Вимірювальне коло термометра з термоелектричним

перетворювачем – термопарою та пристроєм автоматичного введення поправок

На рис. 9.33 наведена схема автоматичного компенсатора для вимірювання температури у комплекті з термопарою.

Рис. 9.33 – Схема автоматичного компенсатора для вимірювання температури

Прилад працює так. Термо-ЕРС термопари зрівноважується вихідною напругою компенсатора, який виконаний за мостовою схемою. Термопара вмикається зустрічно напрузі компенсації Е_К, яка створюється мостовим колом. Ця напруга змінюється пропорційно пересуванню повзунка реохорду. Різниця термо-ЕРС термопари та напруги компенсації Е_К (Е_т – Е_К) підсилюється підсилювачем та надходить на реверсивний електродвигун. Вал електродвигуна обертається та пересуває повзунок компенсатора доки різниця напруг не стане дорівнювати нулю. Електродвигун зупиняється, а по положенню повзунка компенсатора можна візуально визначити величину вимірювальної температури.

Сучасні автоматичні компенсатори мають класи точності 0,25; 0,5; 1,0, які виражені у формі допустимої основної зведеної похибки, яка дорівнює

, (9.29)

де - граничне значення основної абсолютної похибки, mB;

- нормоване значення, яке дорівнює різниці термо-ЕРС термоелектричного перетворювача, що відповідають кінцевій та початковій точкам з діапазону вимірювань компенсатора, mB.

Метрологічні характеристики деяких автоматичних компенсаторів та цифрових приладів, призначених для вимірювань температури у комплекті з термоелектричними перетворювачами, наведено в таблиці 9.6.

Таблиця 9.6

Метрологічні характеристики автоматичних компенсаторів та цифрових

приладів для вимірювання температури у комплекті з

термоелектричним перетворювачами

Розглянемо теоретичні положення щодо визначення похибок вимірювання температури термоелектричними термометрами.

Похибка вимірювання температури за допомогою термоелектричного перетворювача та воринного приладу (автоматичного компенсатора або цифрового вимірювального приладу) має такі складові

, (9.30)

де - відповідно похибки термоелектричного перетворювача, термоелектричних проводів та вторинного приладу,^◦С.

Похибка маж дві складові – інструментальну, яка зумовлена відхиленням дійсної статичної характеристики перетворення термоелектричного перетворювача від номінального, і методичну, яка виникає через відхилення температури робочого кінця термоелектричного перетворювача від вимірюваної температури . Значення методичної похибки залежить від умов теплообміну між робочим кінцем термоелектричного перетворювача та середовищем, температуру якого вимірюють. На практиці таку похибку намагаються звести до мінімуму, застосовуючи відповідну конструкцію термоелектричного перетворювача і встановлюючи йог на об’єкті так, щоб забезпечити максимальне вирівнювання температур та .

Граничне значення основної інструментальної похибки термоелектричного перетворювача розраховується за формулами, які наведені в таблиці 9.7.

Таблиця 9.7

Границі допустимих відхилень характеристик перетворення

термоелектричних перетворювачів від НСХП

Тип перетворювача	Клас допуску	Діапазон температур,◦С	Границі допустимих відхилень від НСХП, ,◦С
ТХА		-250…-166,7
-166,7…+40	2,5
	-40…+333,4	2,5
+333,4…+1350
	-40…+375	1,5
+375…+1350	0,004
ТХК		-200…-100
-100…+100	2,5
	-40…+400	2,5
+400…+800

Похибка зумовлена відхиленням термо-ЕРС термоелектричних проводів від номінального значення і її граничне значення можна знайти за формулою

, (9.31)

де - границя допустимого відхилення термо-ЕРС термоелектричних проводів від номінального значення статичної характеристики, mB, - таблиця 9.8;

- чутливість термоелектричних проводів термоелектричних проводів, mB/^◦С.

Таблиця 9.8

Технічні характеристики стандартних термоелектричних проводів (ТЕП)

Тип ПВП	Додатковий термоелектрод	Від’ємний термоелектрод	Позн. проводу	Значення термо-ЕРС, mB, при =100◦С =0◦С	Границя допустимого відхилення, , mB
матеріал	колір	матеріал	колір
ТХА	мідь	червоний, рожевий	константант	коричневий	МК	4,10
ТХК	хромель	фіолетовий, чорний	копель	жовтий, оранжевий	ХК	6,95

Похибка показу вторинного приладу складається з його основної та додаткових (якщо вони є) інструментальних похибок. При використанні автоматичного компенсатора граничне значення його основної похибки розраховується за формулою

, (9.32)

де - допустиме значення основної абсолютної похибки компенсатора, Ом.

Визначається з формули (9.33);

- чутливість термоелектричного перетворювача, Ом/^◦С.

Допустима основна зведена похибка автоматичних компенсаторів визначається за формулою

, (9.33)

де - нормоване значення, яке дорівнює різниці термо-ЕРС термоелектричного перетворювача, що відповідають кінцевій та початковій точкам з діапазону вимірювань компенсатора, mB.

, (9.34)

де - приріст температури відносно точки , ^◦С;

- відповідний приріст термо-ЕРС термоелектричного перетворювача, mB, - таблиця 9.9.

Таблиця 9.9

Нормальні статичні характеристики перетворення (НСХП)

термоелектричних перетворювачів

Температура робочого кінця, , ◦С	-200	-50
термо-ЕРС, ЕΘр, при Θвіл.кінц.=0 ◦С	ТХА	-5,891	-1,889		0,798	8,137	16,395	20,640
ТХК	-9,488	-3,004		1,289	14,557	31,488	40,292
Температура робочого кінця, , ◦С
термо-ЕРС, ЕΘр, при Θвіл.кінц.=0 ◦С	ТХА	24,902	29,128	33,277	41,269	45,108	48,828	52,398
ТХК	49,098	57,857	66,469	-	-	-	-

При використанні цифрового вторинного приладу граничне значення його основної похибки визначають за формулою

(9.35)

Приклад 2Оцінити похибку вимірювання температури = 500◦С за допомогою автоматичного компенсатора КСП2 класу точності 0,5 з діапазоном вимірювання від 0◦С до плюс 800◦С, який працює в комплекті з термоелектричним перетворювачем типу ТХА класом допуску 2. Розв’язання:1.Граничне значення похибки термоелектричного перетворювача типу ТХА класу допуску 2 при температурі 500◦С визначається за формулою: ; 2. Граничне значення похибки термоелектричних проводів перетворювача типу ТХА обчислюється за формулою (7) та за даними таблиці 3: 0С; ; 3. Допустиме значення основної абсолютної похибки компенсатора дорівнює: ; де ; 4. Чутливість термоелектричного перетворювача дорівнює: 0С; 5. Граничне значення похибки автоматичного компенсатора буде дорівнювати: 6. Результуюча похибка вимірювання температури = 500◦С: