Методы и средства измерений температуры

С развитием  измерительной техники, наиболее удобными техническими видами термометров стали  те, в которых термометрическим признаком  является электрический сигнал. Это  термосопротивления (металлические и полупроводниковые) и термопары.

В металлическом  термометре сопротивления измерение  температуры основано на явлении  роста сопротивления металла  с ростом температуры. Для большинства  металлов вблизи комнатной температуры  эта зависимость близка к линейной, а для чистых металлов относительное изменение их сопротивления при повышении температуры на 1 К (температурный коэффициент сопротивления) имеет величину близкую к 4*10-3 1/К. Термометрическим признаком является электрическое сопротивление термометрического тела - металлической проволоки. Чаще всего используют платиновую проволоку, а также медную проволоку или их различные сплавы. Диапазон применения таких термометров от водородных температур (~20 К) до сотен градусов Цельсия. При низких температурах в металлических термометрах зависимость сопротивления от температуры становится существенно нелинейной, и термометр требует тщательной калибровки.

В полупроводниковом  термометре сопротивления (термисторе) измерение температуры основано на явлении уменьшения сопротивления полупроводников с ростом температуры. Так как температурный коэффициент сопротивления полупроводников по абсолютной величине может значительно превосходить соответствующий коэффициент металлов, то и чувствительность таких термометров может значительно превосходить чувствительность металлических термометров.

Специально  изготовленные полупроводниковые  термосопротивления могут быть использованы при низких (гелиевых) температурах порядка нескольких кельвин. Однако следует учитывать то, что в обычных полупроводниковых сопротивлениях возникают дефекты, обусловленные воздействием низких температур. Это приводит к ухудшению воспроизводимости результатов измерений и требует использования в термосопротивлениях, специально подобранных полупроводниковых материалов.

Другой принцип  измерения температуры реализован в термопарах. Термопара представляет собой электрический контур, спаянный из двух различных металлических  проводников, один спай которых находится  при измеряемой температуре (измерительный спай), а другой (свободный спай) - при известной температуре, например, при комнатной температуре. Из-за разности температур спаев возникает электродвижущая сила (термо-ЭДС), измерение которой позволяет определять разность температур спаев, а, следовательно, температуру измерительного спая.

В таком термометре термометрическим телом является спай двух металлов, а термометрическим признаком – возникающая в цепи термо-ЭДС. Чувствительность термопар составляет от единиц до сотен мкВ/К, а диапазон измеряемых температур от нескольких десятков кельвин (температуры жидкого азота) до полутора тысяч градусов Цельсия. Для высоких температур применяются термопары из благородных металлов. Наибольшее применение нашли термопары на основе спаев следующих материалов: медь-константан, железо-константан, хромель-алюмель, платинородий-платина.

Следует отметить, что термопара способна измерить только разность температур измерительного и свободного спаев. Свободный спай находится, как правило, при комнатной  температуре. Поэтому для измерения температуры термопарой необходимо использовать дополнительный термометр для определения комнатной температуры или систему компенсации изменения температуры свободного спая.

В радиотехнике часто применяют понятие шумовой  температуры, равной температуре, до которой должен быть нагрет резистор, согласованный с входным сопротивлением электронного устройства, чтобы мощность тепловых шумов этого устройства и резистора были равными в определенной полосе частот. Возможность введения такого понятия обусловлена пропорциональностью средней мощности шума (среднего квадрата шумового напряжения на электрическом сопротивлении) абсолютной температуре сопротивления. Это позволяет использовать шумовое напряжение в качестве термометрического признака для измерения температуры. Шумовые термометры используются для измерения низких температур (ниже нескольких кельвинов), а также в радиоастрономии для измерения радиационной (яркостной) температуры космических объектов

Заключение

Практический  опыт построения систем регулирования промышленных объектов показывает, что главное значение здесь приобретает не задача выбора алгоритмов функционирования регуляторов, а задачи построения оптимальной схемы получения регулятором текущей информации о состоянии объекта регулирования, которое отражает характер взаимодействий между двумя функциональными основными элементами системы регулирования - объектом и регулятором. Высокопроизводительная, экономичная и безопасная работа технологических агрегатов металлургической промышленности требует применения современных методов и средств измерения величин, характеризующих ход производственного процесса и состояние оборудования. Температура является одним из основных параметров, подлежащих контролю со стороны систем автоматического управления металлургическими процессами. В условиях агрессивных сред и высоких температур, наиболее подходящими для использования являются фотоэлектрические пирометры. Они позволяют контролировать температуру от 100 до 6000⁰ С и выше. Одним из главных достоинств данных устройств является отсутствие влияния температурного поля нагретого тела на измеритель, так как в процессе измерения они не вступают в непосредственный контакт друг с другом. Так же фотоэлектрические пирометры обеспечивают непрерывное автоматическое измерение и регистрацию температуры, что позволяет использовать их в системах автоматического управления процессами без дополнительных затрат на приобретение и обслуживание устройств сопряжения.

Список использованных источников

1. Бедфорд Р., Дофине Т.М., Престон-Томас Х.  Измерение температуры. // В кн.: Приборы и методы физического металловедения. Выпуск 1. / под ред. Ф. Вейнберга, пер. с англ. М.: «Мир», 1073, - с. 9-131.
2. Бычковский Р.В.  Контактные датчики температуры. М.: «Металлургия», 1978, - 238с.
3. Гаррисон Т.Р.  Радиационная пирометрия. М.: "Мир", 1964, - 248с. 104
4. Гордов А.Н.,  Жагулло О.М.,  Иванова А.Г. Основы температурных измерений. М.: «Энергоатомиздат», 1992, - 304с.
5. Земанский М. Температуры очень низкие и очень высокие.  М.: «Мир», 1968, - 151с.
6. Никоненко В.А., Сильд Ю.А., Иванов И.А. Разработка системы метрологического обеспечения измерительных тепловизионных приборов. - Измерительная техника, № 4, 2004, с. 48-51.
7. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. М.: Энергия, 1978, - 704 с.
8. Чистяков С.Ф., Радун Д.В. Теплотехнические измерения и приборы. М.: Высшая школа, 1972, - 392.

а) Основная литература:

1. Фремке А.В. Электрические измерения.  Учебник для вузов, - Л.: «Энергия», 1980.

2. Душин Е.М. Основы метрологии  и электрические измерения. Учебник для вузов, -Л.: Энергоиздат, 1987.

3. Орнатский П.П. Автоматические  измерения и приборы. Учебник  для вузов. - Киев, Вища школа, 1980.

4. Шляндин В.М. Цифровые измерительные  устройства. Учебник для вузов.  – М.: Высшая школа, 1981.

5. Малинский В.Д., Бегларян В.Х., Дубицкий Л.Т. Испытания аппаратуры и средств измерений на воздействие внешних факторов. Учебник для вузов. – М.: Машиностроение, 1993.

б) Дополнительная литература:

1. Преображенский А.А. Аналоговые  электроизмерительные приборы. Учебное пособие для вузов. – М.: Высшая школа, 1979.

2. Спектор С. А. Электрические  измерения физических величин.  Методы измерений. Учебное пособие для вузов. – Л.: Энергоиздат, 1987.

3. Куликовский К.Л., Купер В.Я.  Методы и средства измерений.  Учебное пособие для вузов. – М.: Энергоиздат, 1986.

4. Гитис Э.И., Пискулов Е.А. Аналого-цифровые  преобразователи. Учебное пособие  для вузов. – М.: Энергоиздат, 1981.

5. Мирский Г.Л. Микропроцессоры  в измерительных приборах. – М.: Радио и связь, 1984.

6. Харт X. Введение в измерительную технику. – М.: Мир, 1999.

7. Малинский В.Д. Испытания  на воздействие повышенных температур и влажности окружающей среды. Учебное пособие. – М.: МГИЭМ. 1997.

8. Малинский В.Д. Испытания на  воздействие ударов. Учебное пособие. –М.: МГИЭМ. 1997.

9. Малинский В.Д. Испытания на  воздействие акустических шумов  и линейных ускорений. Учебное  пособие. – М.: МГИЭМ. 1997.

в) Пособия:

1. Капырин В.В., Простомолотова И.В.  Автоматизированный учебный курс по дисциплине «Методы и средства измерений» учебное пособие, ГМН, 1997.