Измерение температуры:-Методическое руководство

1
Лабораторная работа № 8
ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ
Введение
Температура является одной из наиболее часто измеряемых физических величин,
поскольку практически нет ни одной области деятельности, где не требовалось измерять и
регулировать температуру.
Диапазон температур можно разделить на ряд характерных поддиапазонов:
1) сверхнизкие температуры – 0-4,2 К (градусы Кельвина);
2) низкие – 4,2-273 К;
3) средние – 273-1300 К;
4) высокие – 1300-5000 К;
5) сверхвысокие – от 5000 К и выше.
Наиболее часто измеряемые температуры лежат в области низких, средних и высоких температур.
Широкий диапазон подлежащих измерению температур, разнообразие условий и
объектов исследования обусловили многочисленность методов и средств измерений температуры.
В термометрии принято классифицировать методы и средства измерений на контактные и неконтактные (бесконтактные). Такая классификация основана на наличии или
отсутствии непосредственного контакта (касания) термочувствительного элемента с объектом измерения.
При контактных методах теплообмена между объектом измерения и термопреобразователем осуществляется посредством теплопроводности (при измерении температуры
твердых тел) и конвекции (при измерениях в газах и жидкостях). Такие методы основаны
на температурной зависимости свойств различных веществ, используемых в качестве термопреобразователя, который находится в непосредственном контакте с объектом измерения и его температура принимается равной измеряемой температуре. Подобные термопреобразователи разделяются на терморезистивные, термоэлектрические, термошумовые
и др.
Контактные методы и средства применяются для измерения температур в диапазоне от значений, близких к абсолютному нулю, до 1800 С. Используя термопреобразователи из тугоплавких материалов и квазиконтактный метод измерения, при котором термопреобразователь помещается в измеряемую среду на короткое время, можно повысить
верхний предел измерений до 2500-3000 С.
Терморезистивные и термоэлектрические преобразователи позволяют измерять
температуру практически во всем указанном диапазоне и, кроме того, некоторые виды таких преобразователей имеют нормируемые государственными стандартами технические и
эксплуатационные характеристики, что обусловило их широкое применение.
Целью настоящей работы является изучение контактных методов измерения температуры с применением термоэлектрических и терморезистивных преобразователей и
методов расчета погрешностей измерения.
1. Термоэлектрические преобразователи
Явление термоэлектричества заключается в том, что если составить цепь из двух
различных проводников (или полупроводников), соединив их между собой концами, причем температуру t1 одного места соединения сделать отличной от температуры t 2 другого, то в цепи потечет ток под действием ЭДС (термо-ЭДС), представляющей собой разность функций температур мест соединения проводников:
Et1 , t 2   f t1   f t 2  .
Такая цепь называется термоэлектрическим преобразователем (термопарой - ТП),
проводники – термоэлектродами, а места их соединения – спаями. Обычно измеряется не
ток, а термо-ЭДС, для чего в разрыв цепи (обычно в одно из мест соединения термоэлек-
2
тродов) включается прибор для измерения напряжения. Спай, контактирующий с объектом измерения, называется измерительным, а спай подключения прибора – соединительным спаем ТП.
Для указанных в табл. 1 термопар (с металлическими электродами) в соответствии
с ГОСТ Р 50342-92 и ГОСТ 3044-84 устанавливаются номинальные статические характеристики термопар (НСХ), т.е. зависимости термо-ЭДС термопар от температуры измерительного спая при температуре соединительного спая 0 С. В этой же таблице приведены
основные параметры термопар. НСХ задаются в виде таблиц или в виде аппроксимирующих полиномов. Более удобным является табличное задание НСХ.
Основные параметры ТП по ГОСТ
Таблица 1
Тип
ТП
Условное обозначение
НСХ (международное)
Материал термоэлектрода: положительный/отрицательный
Диапазон измерения температуры (кратковременный), С
Диапазон термоЭДС, мВ
ТВР
ВР (А)
вольфрам (95 %) - рений (5 %)/
вольфрам (80 %) - рений (20 %)
0 – 2200
(2500)
0 – 31,13
(33,64)
ТПР
ПР (В)
платинородий (70 % Pt + 30 % Rh)/
платинородий (94 % Pt + 6 % Rh)
300-1600
(1800)
0,43 – 11,26
(13,58)
ТПП
ПП (S)
платинородий (90 % Pt + 10 % Rh)/
платина
0 – 1300
(1600)
0 – 13,15
(16,77)
ТХА
ХА (К)
хромель (90,5 % Ni + 9,5 % Cr)/
алюмель (94,5 % Ni + Al, Si, Mn,
Co)
-200 - +1000
(1300)
-5,89 - +41,27
(52,40)
ТХК
ХК (L)
хромель (90,5 % Ni + 9,5 % Cr)/
копель (56 % Cu + 44 % Ni)
-200 - + 600
(800)
-9,50 - +49,10
(66,47)
ТМК
МК (М)
медь / копель (56 % Cu + 44 % Ni)
-200 - +100
-6,15 - +4,72
Пределы допускаемых отклонений термо-ЭДС некоторых ТП от номинальных значений, определяемых по НСХ, приведены в табл. 2.
Пределы допускаемых отклонений термо-ЭДС, от СНХ
Таблица 2
Тип ТП
Диапазон температур, С
Предел допускаемых отклонений E , мВ
ТПП
0 – +300
+300 – +1600
0,008
 0,008  2,69  10 5  t  300
ХА
-200 – 0
0 – +300
+300 – +1300
ХК
-200 – 0
0 – +300
+300 – +800




 0,080  0,30  10 3  t  200
 0,140


 0,100  0,20  10  t  200
 0,140  0,20  10  t 
 0,200  0,52  10  t  300
 0,140  0,22  10 3  t  300
3
3
3
3
Для определения измеряемой температуры по генерируемой термопарой ЭДС, но
при температуре соединительного спая t cc , отличной от 0 С, необходимо автономное измерение температуры этого спая и проведение соответствующего расчета.
Если t cc  0 , то EТП t x ,0  EТП t x , t cc   EТП t cc ,0 , где EТП t x , t cc  - ЭДС, развиваемая ТП при измеряемой температуре t x и температуре соединительного спая t cc ;
EТП t x ,0 - ЭДС ТП при температуре измерительного спая t cc и нулевой температуре соединительного спая. Таким образом, по известной или измеренной температуре соединительного спая НСХ ТП определяется EТП t x ,0 . Измеряется EТП t x , t cc  и далее находится
сумма EТП t x ,0 и EТП t x , t cc  . По суммарной ЭДС с использованием НСХ ТП находится
измеряемая температура t x .
В приложениях 1, 2 приведены НСХ ТП типа ТХА и ТХК.
2. Термометры сопротивления
Среди терморезистивных преобразователей особое место занимают металлические
термометры сопротивления (ТС), для которых характеристики нормируются государственными стандартами (ГОСТ Р 50353 – 92, ГОСТ 6651 – 84). По металлу, используемому для изготовления чувствительного элемента, ТС бывают платиновыми (ТСП), медными (ТСМ) и никелевыми (ТСН). По способу контакта со средой, температура которой измеряется, ТС делятся на погружаемые и поверхностные.
Статической характеристикой ТС называется зависимость сопротивления ТС от
температуры R1  f t  . В зависимости от номинального сопротивления при 0C R0 
условные обозначения номинальных статических характеристик преобразования (НСХ) и
основные показатели некоторых типов ТС приведены в табл. 3.
Основные параметры ТС
Подгруппа
ТС
ТСП
ТСМ
ТСН
R0 , Ом
Таблица 3
Условное обозначение НСХ
Диапазон температур
t max ,C
t min ,C
российское
международное
50
50П
Pt 50
-260
+850
100
100П
Pt 100
-260
+850
50
50M
Cu 50
-200
+200
100
100M
Cu 100
-200
+200
100
100H
Ni 100
-60
+180
НСХ ТС должны соответствовать уравнению
Rt  Wt  R0 ,
где Rt – сопротивление ТС при температуре t, Ом;
Wt – значение соотношения сопротивлений при температуре t к сопротивлению при С.
Значения Wt задаются стандартными таблично или аналитически в виде интерполяционных уравнений. В табл. 4 приведены примеры интерполяционных уравнений. На
практике удобнее пользоваться табличными данными для Wt .
Для ТС установлены три класса допуска на допускаемые отклонения R0 и W100 от
своих номинальных значений. Значения этих допускаемых отклонений приведены в таблицах 5 и 6.
4
Примеры интерполяционных уравнений
Таблица 4
Диапазон
температур,
С
Значения коэффициентов
уравнения
Подгруппа
ТС
Интерполяционные уравнения

 
Rt  R0 1  At  Bt 2  C  t  100C   t 3
-200 – 0
Wt  1  At  Bt  C  t  100C   t
2

ТСП
Rt  R0  1  At  Bt 2
0 – +850
Wt  1  At  Bt 2
Rt  R0  1  t 
-50 – +200
ТСМ

Wt  1  t
Rt  R0  1  t 
-10 – +200
Wt  1  t
Rt  R0 1  t  Bt  t  10
-100 – -10
Wt  1  t  Bt  t  10
Допускаемые отклонения R0
Подгруппа ТС
Для НСХ с
W100  1,3850
A  3,90802  10 3C 1
B  5,802  10 7 C 2
C  4,2735  10 12C 3
Для НСХ с
W100  1,4260
  4,26  10 3C 1
W100  1,4280
Для НСХ с W100  1,3850
Для НСХ с
  4,28  10 3C 1
B  5,0  10 7 C 2
Таблица 5
Допускаемое отклонение R0 для классов допуска, %
А
В
С
0,005
0,1
0,2
0,05
0,1
0,2
--0,24
ТСП
ТСМ
ТСН
Допускаемые отклонения W100
Подгруппа ТС
3
Номинальное
значение W100
1,3850
1,3910
1,4260
1,6170
ТСП
ТСМ
ТСН
Таблица 6
Наименьшее допускаемое отклонение для классов
допуска W100
А
В
С
1,3845
1,3840
1,3835
1,3906
1,3900
1,3895
1,4255
1,4250
1,4240
--1,6130
Наибольшее допускаемое значение W100 не ограничивается.
В табл. 7 приведены допускаемое отклонение определения температуры по статической характеристике ТС по отношению к его НСХ.
Допускаемые отклонения определения температуры
Подгруппа ТС
Класс допуска
А
ТСП
В
С
А
ТСМ
В
С
Таблица 7
Допуск, С
t  0,15  0,002  t 
t  0,3  0,005  t 
t  0,16  0,008  t 
t  0,15  0,0015  t 
t  0,25  0,0035  t 
t  0,15  0,0065  t 
5
Измерительный ток, который приходится пропускать через ТС при измерении его
сопротивления, не должен вызывать увеличение его сопротивления из-за нагрева при 0C
более, чем на 0,1% от его номинального значения. Значение этого тока следует выбирать
из ряда: 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 2,0; 3,0; 5,0; 10,0; 15,0; 20,0; 50,0 мА.
В приложениях 3 и 4 приведены НСХ для ТСМ и ТСП.
3. Состав стенда
В состав стенда входят несколько ТП и ТС, технические характеристики которых
приведены в приложении и на стенде.
В работе используется цифровой мультиметр (ЦМ), с помощью которого измеряются ЭДС ТП и сопротивления ТС.
Технические характеристики прибора приведены на стенде.
4. Задание
1. Ознакомиться с датчиками и приборами стенда и внести в протокол их паспортные данные. Тип датчика указывается на головке датчика. В работе используются термометры сопротивления с W100 =1,3910 и W100 =1,428
2. Измерить с помощью термометра сопротивления (ТС) температуру окружающего
воздуха. Рассчитать погрешность измерения температуры с учетом погрешности ТС и
цифрового мультиметра (ЦМ).
3. Поместить ТС в термостат, включить нагрев и провести ряд измерений температуры. Рассчитать погрешность измерения температуры.
4. Поместить в нагретый термостат термопару (ТП), дождаться установившегося
режима и провести измерение температуры. Выключить термостат и в течение его остывания провести ряд измерений температуры. Найти результаты с поправкой на температуру соединительного спая. Рассчитать погрешность измерения температуры с учетом погрешности ТП, погрешности измерения температуры соединительного спая ТП и погрешности ЦМ.
НСХ преобразователи типа ТХА. Температура соединительного спая – 0 С
Приложение 1
t ,C
Em , мВ
t ,C
Em , мВ
t ,C
Em , мВ
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0
0,198
0,397
0,597
0,798
1,000
1,203
1,407
1,611
1,817
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
2,022
2,229
2,436
2,643
2,850
3,058
3,266
3,473
3,681
3,888
100
105
110
115
120
125
130
135
140
145
4,095
4,302
4,508
4,714
4,919
5,124
5,327
5,531
5,733
5,936
Приложение 2
НСХ преобразователя типа ТХК
Температура свободных концов – 0 С
t ,C
Em , мВ
t ,C
Em , мВ
t ,C
Em , мВ
0
5
10
0
0,318
0,638
50
55
60
3,299
3,643
3,989
100
105
110
6,842
7,208
7,576
6
15
20
25
30
35
40
45
50
0,961
1,287
1,616
1,947
2,282
2,618
2,957
3,299
65
70
75
80
85
90
95
100
4,338
4,689
5,042
5,398
5,756
6,116
6,478
6,842
115
120
125
130
135
140
145
150
7,946
8,318
8,693
9,069
9,446
9,826
10,208
10,591
Приложение 3
НСХ преобразователя типа ТСМ
Wt
t ,C
t ,C
0
1,0000
50
5
1,0214
55
10
1,0428
60
15
1,0642
65
20
1,0856
70
25
1,1070
75
30
1,1284
80
35
1,1498
85
40
1,1712
90
45
1,1926
95
50
1,2140
100
Wt
1,2140
1,2354
1,2568
1,2782
1,2996
1,3210
1,3424
1,3638
1,3852
1,4066
1,4280
t ,C
100
105
110
115
120
125
130
135
140
145
150
Wt
1,4280
1,4922
1,4708
1,4922
1,5136
1,5350
1,5564
1,5777
1,5991
1,6205
1,6419
Приложение 4
Отношения сопротивлений Wt для платиновых ТС с W100 = 1,3910
t,oC
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Wt
1,0000
1,0198
1,0396
1,0594
1,0792
1,0989
1,1186
1,1343
1,1579
1,1775
1,1971
1,2166
1,2361
1,2556
1,2751
1,2945
t,oC
80
85
90
95
100
105
110
115
120
125
130
135
140
145
150
Wt
1,3139
1,3332
1,3526
1,3719
1,3910
1,4104
1,4296
1,4488
1,4679
1,4870
1,5061
1,5252
1,5442
1,5632
1,5822
Кончаловский В.Ю., Семенов В.Ф., Ю.С.Солодов Ю.С.Измерение температуры:Методическое руководство к лабораторной работе № 8 по курсу “Метрология и инженерный эксперимент”. - М.: Изд-во МЭИ, 1999. -6 с.