Приборы для измерения температуры. Их характеристики.




Принцип: по расширению. Системы:

1) Биметаллическая пластина. Характеристики. Может применяться для термостатов, диапазон измерения -30…600°С, точность ±1%, прочные.

Биметаллические пластинки состоят из двух различных металлических пластинок одной длины, соединённых вместе. Так как металлы имеют различные коэффициенты термического расширения, то изменение температуры приводит к изгибу пластинки, так что металл с большим коэффициентом расширения
окажется на внешней стороне кривизны. Величина, на которую
пластинка изогнется, зависит от типа двух используемых метал-
лов, длины биметаллической пластинки и изменения температу-
ры. Если один конец биметаллической пластинки зафиксирован,
то величина перемещения другого ее конца является мерой тем-
пературы. Это перемещение может быть использовано для раз-
мывания или замыкания контактов электрических цепей, как это
показано на Рис. 21.1 на примере простого термостата, применя-
емого во многих системах бытового обогрева.

Так как увеличение длины биметаллической полоски увели-
чивает перемещение, биметаллические термометры обычно вы-
полняются в виде полоски спиральной формы (Рис. 21.2). Пере-
мещение свободного конца здесь используется для непосредст-
венного перемещения стрелки по шкале. Приборы с биметаллическими полосками прочны, относительно дешевы, могут ис-
пользоваться в диапазоне — 30...600'С, а также в термостатах.
Они имеют точность +1%, но обладают сравнительно медлен-
ной реакцией на изменение температуры.

2) Жидкость в стеклянных трубках. Характеристики. Непосредственное измерение, диапазон зависит от используемой жидкости. Для ртути -35…600°С, спирта -80…70, пентана -200…30°С. Обычная точность ±1%.

Жидкость, заключенная в стеклянном термометре, расширя-
ется вверх по капиллярной трубке. Такие термометры дают воз-
можность непосредственного считывания измеряемых значений.
Они весьма хрупкие, способны давать приемлемую точность при
стандартных условиях, обладают достаточно медленной реакци-
ей на изменения температуры, дешевые. Для ртути, как жидкос-
ти, диапазон измеряемых температур составляет — 35...600' С,
спирта -80...70' С, толуола -80...100' С, пентана —200...30' С,
креозота — 5...200' С. Термометры калибруются для применения
с частичным погружением до некоторой отметки на их столби-
ках, погружения до уровня жидкости в термометрах и полного
погружения термометров. Если термометр не погружен до требу-
емого по калибровке уровня, то будут возникать дополнительные
погрешности. Обычно точность таких термометров +1%.

3) Жидкость в металлических трубках. Характеристики. Диапазон зависит от жидкости, в пределах -90…650°С. Например, для ртути -39…650, точность ±1%, прочные, дистанционные измерения.

Жидкость в таком термометре заключена в металлическую кол-
бу, соединенную капиллярной трубкой с манометром Бурдона. Ког-
да жидкость при нагревании расширяется, в ней увеличивается дав-
ление, которое затем регистрируется датчиком давления типа тру-
бок Бурдона. Для ртути диапазон измерения — 39...650' С, для спир-
та -46...150' С, для ксилена -40...400' С, для эфира 20...90' С.
Применяются также другие жидкости. В целом диапазон измере-
ния температуры такими приборами составляет — 90...650'С. Эти
приборы могут использоваться для дистанционных измерений на
удалении от термометрической колбы. Точность около +1%.

Источником погрешностей для этого вида термометров явля-
ется жидкость в соединительной капиллярной трубке, темпера-
тура которой также воздействует на давление. Ошибка снижает-
ся при уменьшении объема соединительной трубки, следова-
тельно, при использовании капиллярных трубок. Другой способ
снижения погрешностей — использование еще одной капилляр-
ной трубки, проложенной вдоль главного капилляра, но немного
не доходящего до колбы (Рис. 21.3).Она соединяется со второй
трубкой Бурдона, и стрелка показывающего прибора перемеща-
ется уже разностью перемещений обеих трубок Бурдона. Еще
один способ заключается в использовании биметаллической
пластинки. Последняя соединяется с концом трубки Бурдона и
оказывает компенсирующее действие на влияние окружающей
температуры на жидкость в капиллярной трубке.

Другие источники ошибок — это ошибка гидравлического
подпора, ошибка от окружающего давления и ошибка степени
погружения. Ошибка гидравлического подпора возникает тогда,
когда высота термометрической колбы изменена по отношению
к трубке Бурдона. Из-за перепада высот жидкости в термометре
возникает дополнительное давление. Так как манометр Бурдона
измеряет избыточное давление, изменение окружающего давле-
ния будет действовать на его показания. Термометрическая кол-
ба должна быть полностью погружена для получения правиль-
ных показаний.

4) Газ в металлических конструкциях. Характеристики. Диапазон -100…650С, точность ±0.5%, прочные, дистанционные измерения.

Техническая разновидность газового термометра состоит
из термометрической колбы, соединенной с манометром Бур-
дона и заполненной газом, например азотом. Когда температу-
ра увеличивается, давление газа растет, и оно измеряется мано-
метром. Колба такого термометра достаточно большая, около
50...100 см~. Термометр прочный, имеет диапазон измерений
— 100...650'С, позволяет непосредственно считывать показа-
ния, но может использоваться и для дистанционных измере-
ний. Его точность около +0.5% на полную шкалу. Источники
погрешностей те же, что и описанные выше в разделе 3. Одна-
ко ошибкой гидравлического подпора здесь можно пренебречь.

5) Давление паров. Характеристики. Диапазон измерения 0…250С, точность ±1%.

Этот термометр состоит из термометрической колбы, соеди-
ненной с манометром Бурдона и частично заполненной жидкос-
тью. Пространство над жидкостью содержит только пары этой
жидкости. Повышение температуры увеличивает количество ис-
парившейся жидкости и, следовательно, повышает избыточное
давление ее паров. Давление пара измеряется манометром Бур-
дона и является мерой температуры. Зависимость давления от
температуры, однако, нелинейная. При использовании в качест-
ве жидкости метилхлорида диапазон измерения 0...50'С, для диоксида серы — 30...120'С, диэтилового эфира — 60...160'С,
этанола — 30...180'С, воды — 120...220'С, толуола
150...250'С. Прибор прочный, позволяет делать как непосредст-
венные, так и дистанционные измерения (лучше, чем жидкост-
ные металлические термометры), но имеют нелинейную шкалу
и точность около+1%. Источники погрешностей, в основном, те
же, что описаны выше в разделе 3.

Принцип: по сопротивлению. Системы:

6) Металлические проводники. Характеристики. Диапазон измерения зависит от металла. Для платины -200…850°С, никеля -80…300С, меди -200…250С. Точность измерения для платины ±0.5%.

Сопротивление металлов обычно увеличивается с ростом
температуры. Изменение сопротивления пропорционально из-
менению температуры (см. пункт 1 главы 8). Термометр сопро-
тивления состоит из катушки провода, включенной в цепь,
обычно мост Уитстона, для измерения изменения сопротивле-
ния. Катушка представляет собой проволочное сопротивление,
намотанное на покрытую керамикой трубку. Затем она также по-
крывается керамикой и монтируется в защитную трубку. Время
реакции такого датчика на изменение температуры достаточно
велико, часто порядка нескольких секунд, так как нет хорошего
теплового контакта между катушкой и средой, температуру ко-
торой необходимо измерить. Металлами, которые применяются
для изготовления катушек термосопротивлений, являются пла-
тина, никель, медь (см. Рис. 8.1).

Платина имеет почти линейную зависимость сопротивления
от температуры, дает хорошую воспроизводимость, стабиль-
ность и обеспечивает точность +0.5% в диапазоне температур
— 200...850'С. Она относительно инертна и может использовать-
ся в широком диапазоне условий без ухудшения характеристик,
но она более дорогая, чем многие другие металлы. Однако это
наиболее широко используемый металл. Температурный коэф-
фициент сопротивления а равен около 0.0039/'С. Никель и медь
дешевле, но имеют меньшую стабильность, более подвержены
взаимодействию с окружающей средой и не могут применяться
в таком же широком диапазоне температур. Никель имеет темпе-
ратурный коэффициент сопротивления а около 0.0067/'С и диа-
пазон измерения — 80...300'С. Медь имеет температурный коэф-
фициент сопротивления и около 0.0038/'С и диапазон измеряе-
мых температур — 200...250'С.

Проблема применения моста Уитстона состоит в том, что из-
меряемым сопротивлением будет и сопротивление подводящих
проводов. Если температура проводов изменяется, то будет ме-
няться и их сопротивление независимо от того, изменялась ли
температура самого датчика. Метод компенсации этого эффекта
обсужден в пункте 3 главы 9, см. также Рис. 9.3 и Рис. 9.4.

7) Термистор. Характеристики. Нелинейность, диапазон -100…300, быстрое реагирование.

Термисторы дают значительно большие изменения сопротив-
ления на градус по сравнению с металлическими проволочными
элементами (см. пункт 1 главы 8). Их малые размеры обеспечи-
вают небольшую теплоемкость и, следовательно, малое время ре-
акции на температурные изменения. Температурный диапазон, в
котором они могут применяться, зависит от типа термистора и
составляет — 100...300'С. В малых диапазонах изменения темпе-
ратуры может быть достигнута точность 0.1'С или лучше. Одна-
ко их характеристики имеют тенденцию изменяться со временем.
Для измерения сопротивления термистора может применяться
мост Уитстона. Здесь нет необходимости компенсации сопротив-
ления подводящих проводов, так как их сопротивление прене-
брежимо мало по сравнению с сопротивлением термистора.
Термометры, использующие термоэлектрический эффект.

Принцип: термоэлектрический. Системы:

8) Термопара. Характеристики. Диапазон, чувствительность, точность зависят от металлов, используемых для изготовления термопар. Например, для пары железо-константан в диапазоне -180…760°С чувствительность 53 мкВ/°С, точность ±1…3%. Для пары платина-платина/13% родий в диапазоне 0…1750С чувствительность 6мкВ/°С при точности < ±1%.

Термопары имеют очень маленькую собствен-
ную теплоемкость, что обеспечивает малые переходные времена
на изменение температуры. Основные металлические термопары
типов Е, J, К и Т относительно дешевые, имеют точность ±1...3%,
но подвержены ухудшению характеристик со временем. Термопа-
ры из благородных металлов типа R и S более дорогие и имеют
точность ±1% или лучше. Они более стабильны и долговечны. В
стандартных таблицах приводятся э.д.с. обычно используемых
термопар как функции температуры при условии, что один спай
находится при 0'С. Опорный спай термопары обычно поддерживается при
0'С погружением в смесь воды и льда. Альтернативой является по-
следовательное включение с термопарой цепи, которая дает раз-
ность потенциалов, компенсирующую температурный уход из-за
отличия температуры опорного спая от 0'С. Э.д.с.термопары может быть
измерена непосредственно подключением ее к гальванометру или
потенциометрической цепи или к элек-
тронной схеме, включающей высокоимпедансный усилитель.

Большой выходной сигнал на градус может быть получен
при последовательном включении нескольких термопар так, что
э.д.с. каждой из них складываются. Такое устройство известно
как термоэлектрическая батарея.

Принцип: пирометр. Системы:

9) Исчезающая нить накала. Характеристики. Диапазон 600…3000°С, точность ±0.5%. Отсутствует физический контакт с нагретым объектом.

Такие пирометры (Рис. 21.5) работают только в видимой ча-
сти спектра, излучаемого нагретым объектом. Излучение фоку-
сируется в плоскости нахождения нити накала так, что это излу-
чение и нить накала могут одновременно наблюдаться в фокусе
окуляра. Нить накала нагревается электрическим током до тех
пор, пока она и нагретый объект остаются видимыми в одном
цвете, т.е. когда нить накала исчезает на фоне нагретого объек-
та. Ток через нить накала является мерой ее температуры. Обыч-
но между окуляром и нитью накала устанавливается красный
фильтр для того, чтобы сделать легкосравнимыми для глаза нить
накала и нагретый объект. Другой красный фильтр может быть
введен между нагретым объектом и нитью накала для того, что-
бы объект казался менее нагретым по сравнению с нитью нака-
ла, и таким образом расширить диапазон измерения прибора.
Пирометр с исчезающей нитью имеет диапазон измерения
600...3000'С при точности считывания около+0.5%. Отсутству-
ет непосредственный физический контакт с горячим объектом.
Он может применяться для движущихся и удаленных объектов.

Должны быть введены поправки на степень черноты е нагре-
того объекта. Истинная температура Tобъекта связана с види-
мой температурой Та, основанной на допущении, что объект яв-
ляется черным телом, при помощи соотношения:

где все температуры в градусах Кельвина, l — длина волны, на
которой проведены измерения (обычно 0.65 мкм), C2 — посто-
янная величина, равная 1.4388х10^2 [мК].
10.

10) Излучение. Характеристики. Диапазон 0…3000С, точность ±0.5%. Отсутствует физический контакт с нагретым объектом.

Для радиационного пирометра излучение от объекта фоку-
сируется на приемник излучения (Рис. 21.6). Это может быть
широкополосный датчик типа термопары, термометра сопро-
тивления и термистора. Широкополосный датчик принимает из-
лучение в широкой полосе частот, и, таким образом, его выход-
ной сигнал является суммой мощностей, излучаемых на каждой
длине волны. Он выражается площадью под кривой Рис. 21.4
для конкретной температуры. Следовательно, выход такого при-
емника пропорционален четвертой степени величины темпера-
туры в градусах Кельвина.

Альтернативой является узкополосный приемник, или фо-
тонный детектор, такой как фотосопротивление или фотоэмис-
сионные элементы. Они имеют существенно меньшее время реак-
ции (микросекунды, а не миллисекунды) и работают только в уз-
кой полосе длин волн. С ними иногда применяются светофильтры
для того, чтобы еще сильнее сузить эту полосу. Выходной сигнал
такого приемника пропорционален:

 

где l — средняя длина волны полосы пропускания, ∆l— шири-
на этой полосы, С2 — постоянная, Т — температура в градусах
Кельвина.

В некоторых разновидностях этих приборов используется
механический вращающийся диск или заслонка для прерывания
излучения перед приемником, чтобы получить выходной сигнал
в виде переменного тока. В качестве приемника обычно исполь
зуется термистор. Модулированные сигналы могут быть усиле-
ны и, таким образом, измерены даже в тех случаях, когда уров-
ни излучения от объекта очень низкие.

Точность радиационных пирометров обычно около +0.5%, а
диапазон их измерения 0...3000'С или выше. Для широкополос-
ных приборов переходные времена меняются от 0.1 с, возмож-
ные для термопарных приемников, до нескольких секунд для
термобатарей со многими термопарами. Постоянная времени уз-
кополосных приборов составляет несколько микросекунд. Ши-
рокополосные приборы с модуляцией луча обычно используют
термисторы, так как постоянная времени термобатарей слишком
велика. Для узкополосных приборов можно применять высокие
частоты модуляции, так как их приемники имеют малые посто-
янные времени. Радиационные пирометры успешно использу-
ются в тех случаях, когда не должно быть контакта с объектом,
температура которого измеряется. Они могут использоваться
для объектов, которые слишком горячие для контакта, слишком
агрессивные или подвижные. Поправка на степень черноты де-
лается аналогично предыдущему разделу.

11) Двухцветная. Характеристики. Диапазон 600…3000°С, точность ±0.5%. Отсутствует физический контакт с нагретым объектом.

На выходной сигнал радиационных пирометров, описан-
ных выше, влияют изменения степени черноты нагретого объ-
екта и характеристик прозрачности промежуточных сред меж-
ду объектом и пирометром. Поэтому в каждой конкретной си-
туации необходима калибровка пирометра. Эти проблемы не
существуют для двухцветного пирометра (Рис. 21.7). Приходя-
щее излучение от объекта расщепляется на два одинаковых лу-
ча. Каждый из них затем проходит через узкополосный свето-
фильтр, что позволяет пропускать только узкие полосы длин
волн. При этом длины пропускаемых волн для обоих свето-
фильтров различны. Детекторы, стоящие за светофильтрами, определяют мощность излучения двух лучей. Отношение вы-
ходных сигналов этих детекторов затем используется как мера
температуры объекта.

где l1 и l2 — средние длины волн для двух светофильтров, Т-
температура в градусах Кельвина, C2 — постоянная. Точность
таких приборов обычно ±0.5% в диапазоне 0...3000° или выше.
Результаты не зависят от степени черноты объекта.

Литература: У. Болтон. Карманный справочник Инжинера-метролога.djvu

 

36. Мультиметр (тестер, авометр) — электронный измерительный прибор, объединяющий в себе несколько функций. В минимальном наборе это вольтметр, амперметр и омметр. Существуют цифровые и аналоговые мультиметры.

Мультиметр может быть как лёгким переносным устройством, используемым для базовых измерений и поиска неисправностей, так и сложным стационарным прибором со множеством возможностей. Наиболее простые цифровые мультиметры имеют разрядность 2,5 цифровых разряда (точность обычно около 10 %). Наиболее распространены приборы с разрядностью 3,5 (точность обычно около 1,0 %). Выпускаются также чуть более дорогие приборы с разрядностью 4,5 (точность обычно около 0,1 %) и существенно более дорогие приборы с разрядностью 5 и выше. Точность последних сильно зависит от диапазона измерения и вида измеряемой величины, поэтому оговаривается отдельно для каждого поддиапазона. В общем случае точность таких приборов может превышать 0,01 %, несмотря на портативное исполнение.

Разрядность цифрового измерительного прибора, например, «3,5» означает, что дисплей прибора показывает 3 полноценных разряда, с диапазоном от 0 до 9, и 1 разряд — с ограниченным диапазоном. Так, прибор типа «3,5 разряда» может, например, давать показания в пределах от 0,000 до 1,999, при выходе измеряемой величины за эти пределы требуется переключение на другой диапазон (ручное или автоматическое).

Количество разрядов не определяет точность прибора. Точность измерений зависит от точности АЦП, от точности, термо- и временной стабильности применённых радиоэлементов, от качества защиты от внешних наводок, от качества проведённой калибровки.

В некоторых мультиметрах доступны также функции:

· Прозвонка — измерение электрического сопротивления со звуковой (иногда и световой) сигнализацией низкого сопротивления цепи (обычно менее 50 Ом).

· Генерация тестового сигнала простейшей формы (гармонической или импульсной) — как своеобразный вариант прозвонки.

· Тест диодов — проверка целостности полупроводниковых диодов и нахождение их «прямого напряжения».

· Тест транзисторов — проверка полупроводниковых транзисторов и (как правило) нахождение их h21э. h12э=∆Iк/∆Iб

· Измерение электрической ёмкости.

· Измерение индуктивности (редко).

· Измерение температуры, с применением внешнего датчика (как правило, термопара К-типа).

· Измерение частоты гармонического сигнала.

Авометр – тяжёлая бандура со шкалой с делениями. Современные аналоги – китайские, лёгкие, с батарейкой крона.

Чё может данный экземпляр. Слева по центру 2 гнезда под конденсаторы, измеряет ёмкость. Справа чуть ниже крутилки – гнездо для подключения термопары, измеряет – догадайтесь. Справа вверху – для определения коллектора, эмиттера и базы транзистора (под штучкой мелко внизу написано pnp и npn). Внизу 2 пары гнёзд (1 и 2; 3 и 4). К ним подключаются 2 провода с острыми концами (соответственно). Левая пара для силы тока, правая – напряжения, сопротивления, частоты. (В розетке, например, 50 Гц). Это всё =)Методика измерений – хз. Мб, за счёт падения напряжения на участке мы мерим всё остальное из закона Ома. Остальное – нету.

 



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2016-08-20 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: