Термометрія за допомогою термоелектричних перетворювачів
Вимірювальні кола термоелектричних термометрів
Найпростіше вимірювальне коло термоелектричних термометрів (термопара, з’єднувальні провідники, мілівольтметр) наведені на рис. 2.7 а.
Рис.2.7. Вимірювальні кола термоелектричних термометрів
Прийнявши, що температура 
вільних кінців термопари буде незмінною і опір всього вимірювального кола також незмінним, правомірно твердити, що покази мілівольтметра визначатимуться величиною вимірюваної температури 
.
Для зменшення залежності показів приладу від електричного опору вимірювального кола, необхідно дотриматись умови
. (2.18)
Із рис. 2.7, а випливає, що
. (2.19)
В цьому випадку, з урахуванням (2.18) матимемо, що
.
Похибка 
, яка вноситься опором зовнішнього вимірювального кола, буде дорівнювати
. (2.20)
Наприклад, якщо 
дорівнює 300 Ом, то для отримання похибки 
опір 
не повинен перевищувати 3 Ом.
Необхідно відзначити, що, оскільки функція перетворення термоелектричного перетворювача є нелінійною, то для переведення показів мілівольтметра у значення вимірюваної температури, необхідно користуватись градуювальною таблицею данного перетворювача.
Оскільки мілівольтметр є складовою термометра і його шкала проградуйована в одиницях температури, то нелінійність функції перетворення термоперетворювача враховуватиметься в характері шкали приладу, яка відповідно, також буде нелінійною. Для такого приладу вже немає необхідності в дотриманні умови (2.18).
|
|
|
При цьому необхідно дотримуватись забезпечення опору 
всього вимірювального кола приладу його градуювальному значенню (такому значенню 
, при якому прилад градуювався). Для підганяння опору кола використовується підстроювальна котушка опором 
(рис.2.7 б).
У цьому випадку опір зовнішнього кола не спричинить до виникнення похибки. Остання буде зумовлюватись лише відхиленням сумарного опору від градуювального значення і спричинятись зміною опору з’єднувальних провідників внаслідок зміни температури довкілля. Аналогічно це можна записати як
. (2.21)
Причиною похибок вимірювання температури може бути також невідповідність температури вільних кінців термоперетворювача градуювальному значенню. Градуювальні характеристики термоелектричних перетворювачів складені для певної температури вільних кінців, звичайно 
. Якщо температура вільних кінців не дорівнює градуювальній, то необхідно вводити поправку на зміну термо-ЕРС відносно градуювального значення.
Одним з способів усунення похибки від зміни температури вільних кінців є їх термостатування. Термостатувати головку термопари не є можливим. У зв’язку з цим необхідно продовжити її електроди не спотворюючи термо-ЕРС з тим, щоб відвести вільні кінці в зручне місце, для термостатування. Здовжуючі термоелектродні дроти ЗТЕ (рис. 2.7,б) виконані з більш дешевих матеріалів ніж основні термоелектроди. Проте вони повинні бути термоелектрично ідентичними з відповідними електродами основної термопари. Це дозволить усунути виникнення паразитних термо-ЕРС.
|
|
|
В промислових умовах, для введення корекції на покази приладу звичайно застосовують пристрої автоматичного введення поправок. Таким пристроєм може бути мостове коло (рис. 2.7 в), яке складається з температуронезалежних манганінових резисторів 
, 
і 
і резистора 
з міді чи нікелю, який змінює свій опір залежно від температури. Якщо температура термозалежного резистора, як і температура вільних кінців термопари, буде дорівнювати наприклад , то міст повинен знаходитись у рівновазі. При відхиленні цієї температури від зміна термо-ЕРС термопари буде компенсовуватись напругою розбалансування мосту, викликаною зміною опору .
Для термоелектричного термометра за схемою рис. 2.1, в, напруга 
, що надходить на вхід вимірювального приладу дорівнює
|
|
|
, (2.22)
де 
- термо-ЕРС термопари; 
- паразитна термо ЕРС від неповної термоідентичності матеріалів ЗТЕ та основних термоелектродів; 
- вихідна напруга розбалансу мостової схеми компенсації CK.
Відповідно похибка 
такого термоелектричного термометра становитиме
, (2.23)
де 
- похибка термоперетворювача; 
- похибка від неповної термоідентичності; 
- похибка схеми компенсації; 
- похибка вимірювального приладу.
Необхідно підкреслити, що похибки 
та є співрозмірними з похибкою . В сумі з вони сягають значень більших за похибку сучасного вимірювального приладу. Похибка може бути зменшеною лише конструктивно-технологічними методами. Тому при проектуванні таких термометрів перш за все необхідно подбати про зменшення похибки від неповної термоідентичності та похибки схеми компенсації.
В цифрових термометрах похибка від зміни температури вільних кінців може бути повністю усунена вимірюванням температури вільних кінців і автоматичного внесення відповідних поправок.
Автоматичні потенціометри для вимірювання температури.
|
|
|
На рис. 2.8 наведено схему автоматичного потенціометра, який призначений для вимірювань температури за допомогою термоелектричного перетворювача.
Принцип його дії наступний. Термо-ЕРС термоелектричного перетворювача зрівноважується вихідною напругою
потенціометра, виконаного за мостовою схемою. Якщо 
, то напруга 
недокомпенсації після попереднього перетворення і підсилення подається на вхід реверсивного двигуна РД, який переміщує повзунок реохорда до моменту повної компенсації напруг. Одночасно переміщується стрілка відносно шкали приладу, який проградуйований в одиницях температури. Стабілізоване джерело живлення забезпечує постійність робочого струму з похибкою близько 0,02 %.
Рис. 2.8. Схема автоматичного потенціометра для вимірювань температури
Для автоматичного введення поправок на температуру вільних кінців термоперетворювача, в одне з плечей мосту увімкнено термозалежний опір 
із міді (всі інші опори – термонезалежні, виконані з манганіну). Термоперетворювач підключається до потенціометра за допомогою здовжуючих термоелектродних проводів. Забезпечується рівність температури вільних кінців термоперетворювача і резистора . Величину опору вибрано таким чином, щоб зміна спаду напруги на ньому, при зміні температури на градусів відповідала б зміні термо-ЕРС термопари при тій же зміні температури її вільних кінців, тобто виконувалась би умова
, (2.24)
де 
- струм верхньої гілки мостового кола потенціометра; 
- температурний коефіцієнт опору міді; 
- опір мідного резистора при ; 
- зміна термо-ЕРС термоперетворювача, що викликана відхиленням температури вільних кінців на град від .
Оскільки навіть в обмеженому температурному діапазоні не є лінійною функцією від , то при лінійній залежності 
повна корекція впливу температури вільних кінців можлива лише для одного значення . При інших значеннях, буде спостерігатись деяка недокомпенсація, похибкою від якої можна знехтувати.
Цифрові вимірювачі температури (ЦВТ) складаються з двох частин – аналогової та цифрової (рис. 2.9).
Аналогова частина ЦВТ має перемикач полярності П, масштабний підсилювач МП, перетворювач напруги в інтервал часу ПНЧ, блоки опорної напруги 
та керування аналоговою частиною БКА. Остання екранована та гальванічно розділена з цифровою частиною за допомогою блока гальванічного розділення (БГР). Цифрова частина складається з блока керування БК, блока корекції адитивної похибки БАП, блока цифрової лінеаризації БЦЛ та блока відображення інформації БВІ.
Рис. 2.9. Структурна схема ЦВТ з термоелектричним перетворювачем
Результат вимірювання отримують з аналітичного виразу
, (2.25)
де 
- тривалість часу інтегрування вхідної напруги; 
- опорна частота; 
- коефіцієнт передачі масштабного підсилювача МП; - опорна напруга АЦП;
- коефіцієнт перетворення блока цифрової лінеаризації; - вихідна напруга розбалансу мостової схеми компенсації СК.
Деякі аспекти нових напрямів термометрії.
Термошумовий метод вимірювань температури грунтується на рівнянні Найквіста, яке встановлює зв'язок між напругою теплових шумів, що виникають в резисторі, і його термодинамічною температурою
,
де 
- середнє квадратичне значення шумової напруги; 
- стала Больцмана, що дорівнює 
; 
- опір резистора; 
- смуга частот, в котрій виконуються вимірювання.
Термошумовий метод можна використовувати для вимірювань температури в межах від 0,001 К до 2000...2500 К. В якості вимірювальних перетворювачів застосовують резистори з платини, манганіну, константану, вольфраму, графіту, а також недротяні резистори.
Складність реалізації термошумового методу полягає в низькому рівні корисного сигналу, який становить частки або одиниці мікровольт. Основними чинниками, що обмежують точність термошумового методу, є залежність опору резистора від температури, власні шуми вимірювального каналу та завади в лінії.
Термочастотний метод вимірювань температури заснований на використанні залежності від температури частоти власних коливань різного роду резонаторів, параметрів 
або 
ланок з терморезисторами, швидкості розповсюдження звукових та ультразвукових коливань.
З термочастотних, найпоширенішими є методи, засновані на застосуванні резонаторних сенсорів, які є автогенераторами або генераторами з вимушеними коливаннями, чатота яких настроюється в резонанс з частотою власних коливань резонатора, що змінюється з температурою.
Тепловізори. Теплобачення – це напрям в технічних вимірюваннях, що вивчає фізичні основи, методи та прилади, які забезпечують можливість спостереження слабонагрітих об’єктів. Такі прилади називаються тепловізорами (термографами). Тепловізори відносяться до оптикоелектронних приладів пасивного типу, що працюють в інфрачервоному діапазоні спектру вимірювання.
Діапазон інфрачервоного випромінювання поділяється на кілька піддіапазонів.
Таблиця 2.1
| Довжина хвиль (мкм) | Назва піддіапазона |
| 0,76 – 1,5 | Ближнє інфрачервоне випромінювання |
| 1,5 – 5,5 | Короткохвильове інфрачервоне випромінювання |
| 5,6 - 25 | Довгохвильове інфрачервоне випромінювання |
| 25 - 100 | Дальнє інфрачервоне випромінювання |
Принцип дії тепловізорів грунтується на перетворенні інфрачервоного випромінювання в електричний сигнал, який піддається підсиленню і автоматичній обробці, та перетворенню у видиме зображення теплового поля об’єкта (термограма) для його візуальної і кількісної оцінки.
Принципова схема тепловізора представлена на рис.2.10.
Рис. 2.10. Принципова схема тепловізора:
1 – лінза; 2 – фотоприймач; 3 – електричний підсилювач; 4 – мікропроцесор;
5 – блок відображення інформації
Інфрачервоне випромінювання концентрується системою спеціальних лінз 1 і потрапляє на фотоприймач 2, який вибірково чутливий до певної довжини хвилі інфрачервоного спектру. Потрапляючи на нього, випромінювання призводить до зміни електричних властивостей фотоприймача, реєструється і підсилюється електронним підсилювачем 3. Отриманий сигнал піддається цифровій обробці в мікропроцесорному блоці 4. Це значеня передається на блок відображення інформації 5, що представляє собою екран рідкокристалічного дисплею. Блок відображення інформації має кольорову палітру, в якій кожному значенню сигналу присвоюється певний колір. Після цього на екрані монітора з’являється точка, колір якої відповідає чисельному значенню інфрачервоного випромінювання, яке потрапило на фотоприймач. Скануюча система (дзеркала або напівпровідникова матриця) проводить послідовний обхід усіх точок у межах поля зору приладу, в результаті чого виходить видима картина інфрачервоного випромінювання об’єкта. Чутливість детектора до теплового випромінювання тим вище, чим нижче його власна температура, тому його поміщають у спеціальний термостатуючий холодильний пристрій. Один із способів охолодження здійснюється за допомогою елементів Пельтьє (напівпровідники, що дають перепад температур при пропусканні через них струму).
Висока чутливість тепловізорів реалізується завдяки наявності високочутливих напівпровідникових приймачів випромінювання з антимоніду індію 
, ртуть-кадмій-телуру 
тощо.
Запитання для самоконтролю
1. Вимірювальні кола термоелектричних термометрів.
2. Умова зменшення залежності показів термоелектричного термометра від електричного опору вимірювального кола.
3. Термостатування як спосіб усунення похибки від зміни температури вільних кінців термопари.
4. Принципова схема автоматичного потенціометра для вимірювання температури.
5. Аналіз принципової схеми цифрового вимірювача температури.
6. Термошумовий метод вимірювання температури.
7. Термочастотний метод вимірювання температури.
8. Принципова схема і принцип дії тепловізора.
Дата добавления: 2018-06-27; просмотров: 636; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!