ГЛАВА III. УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ ВЕЛИЧИН

Регулирование тепловых величин, к которым в первую очередь относятся температуры самых различных веществ и тел, находит широкое применение в самых различных областях техники. Системы автоматического управления многими объектами и процессами основаны на измерении их тепловых параметров—температур. Разнообразие условий и широкий диапазон измеряемых температур (табл. III.1) обуславливают применение различных методов измерения и использование различных чувствительных элементов. Наиболее низкая температура, полученная до настоящего времени, составляет Наивысшая температура, достигнутая в земных условиях, приближается к Применяемые при тепловых измерениях чувствительные элементы можно условно разделить на первичные и вторичные. К первым относятся термометры, по которым устанавливается термодинамическая шкала

Таблица III.1 (см. скан)

температур. Такими термометрами являются: газовый термометр (воспроизводит термодинамическую температуру в области от 1063°С до 10° К); термометр, основанный на использовании скорости звука в газообразном гелии (от 10° К до 4,2° К), а также термометр, основанный на измерении упругости насыщенных паров гелия (от 4° К до 1° К). Все перечисленные выше устройства имеют сложную конструкцию и большую инерционность. Поэтому, хотя эти приборы и позволяют измерять температуру с высокой точностью, они не применимы в автоматических системах. В системах автоматического управления и регулирования в качестве измерителей температуры используются исключительно вторичные термометры. Основными характеристиками термометров всех типов являются чувствительность, точность, инерционность.

1. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

К термоэлектрическим измерительным устройствам условно можно отнести все измерительные устройства, применяемые в автоматических системах, основанные на преобразованиях тепловой энергии в электрическую. Входными параметрами таких измерительных устройств являются тепловые, а выходными — электрические. Высокие требования, предъявляемые к точности измерений температур, делают необходимым применение в схемах измерительных устройств кроме чувствительных элементов также усилителей и нередко вторичных преобразователей. При этом чувствительные элементы служат для восприятия изменений регулируемой температуры и преобразования этих изменений в соответствии с тем или иным заложенным в них физическим принципом в электрические сигналы. При высокой точности измерений получаемый уровень этих первичных электрических сигналов недостаточен для непосредственного использования в автоматических системах и требует усиления. Вторичные преобразователи используются в целях согласования вышеуказанных сигналов с типовыми входными устройствами управляющих и регулируемых систем. Такой принцип построения термоэлектрических измерительных устройств позволяет свести их рассмотрение к нескольким наиболее целесообразным обобщенным схемам. Рассматриваемые ниже различные чувствительные элементы с электрическим выходным сигналом обычно включаются в мостовую уравновешивающую цепь (рис. III. 1), являющуюся входным элементом блока усиления и преобразования. Выбор

Рис. III. 1. Схема включения чувствительного элемента в мостовую уравновешивающуюся цепь: П — преобразователь, У — усилитель, — напряжение с выхода чувствительного элемента

элементов уравновешивающей цепи производится исходя из требуемой чувствительности и точности. Чувствительность по току

Чувствительность по напряжению

где — входное сопротивление усилителя;

— выходное сопротивление мостовой схемы;

— внутреннее сопротивление источника измеряемого напряжения с учетом соединительных проводов.

Рис. III.2. Схема термоэлектрического измерительного устройства с термометром сопротивления и электронным усилителем: — термометр сопротивления, — усилитель напряжения, УМ — усилитель мощности, В — вибропреобразователь, — выходной сигнал.

Поскольку задано типом и размерами чувствительного элемента, то для выполнения условия максимума чувствительности

необходимо минимизировать величину При заданном пороге чувствительности измерительного устройства А порог чувствительности усилителя будет равен

Отсюда условие выбора мостовой схемы будет иметь вид

На рис. III.2. представлена схема термоэлектрического измерительного устройства с электронным усилителем типового выполнения. Для преобразования постоянного напряжения, поступающего с моста, служит вибропреобразователь В. Последующее усиление электрического сигнала, огибающая которого содержит информацию об измеряемом параметре, осуществляется в первых

каскадах реостатно-емкостного усилителя УН. Коэффициент усиления достигает 105. Выход усилителя мощности УМ подключается к управляющей обмотке двухфазового асинхронного электродвигателя, который перемещает движок компенсирующего разбаланс моста реохорда. К валу электродвигателя может быть также присоединен и вторичный преобразователь в виде дополнительного реохорда для электрических систем управления или в виде соответствующего пневматического или гидравлического преобразователя в соответствии с применяемой системой управления.

Рис. III.3. Схема термоэлектрического измерительного устройства с полупроводниковым усилителем: — термометр сопротивления, М — мост, В — вибропреобразователь, — усилитель напряжения, УМ — усилитель мощности, ВП — вторичный преобразователь, — электродвигатель, СД — синхронный электродвигатель, Р — регистратор, — тензоэлементы, — источник стабилизированного питания

На рис. III.3 приведена схема термоэлектрического измерительного устройства с малогабаритным усилителем. Использованный в схеме тензометрический мост повышает надежность работы всего устройства. Отсутствие в нем контактов способствует также увеличению точности измерений за счет меньшего уровня шумов. При этом применен полупроводниковый усилитель с обратной связью по скорости электродвигателя, что способствует повышению стабильности его коэффициента усиления и помехозащищенности. Чувствительность усилителя составляет а уровень шумов не выше потребляемая мощность вт. Применение усилителя со скоростной обратной связью позволяет повысить быстродействие измерительного устройства.

Металлические термометры сопротивления используются для измерений средних и низких температур. Они применяются при

точных измерениях температур в диапазоне от абсолютного нуля и до 1000° С. Действие термометров сопротивления основано на том, что электрическое сопротивление металлов изменяется одновременно с изменением температуры. Удельное сопротивление металла определяется по формуле

где — число свободных электронов в единице объема;

с — заряд электрона;

— подвижность электрона, характеризуемая его скоростью в поле, имеющего напряженность 1 в 1см.

Удельное сопротивление металлов достаточно мало, ом/см, что объясняется высокой концентрацией электронов, не зависящей от температуры. При высоких температурах зависит от колебаний кристаллической решетки металла, т. е. определяется подвижностью электронов. При изменении температуры подвижность электронов изменяется. Подвижность электронов зависит также от концентрации примесей в металле. Поэтому удельное сопротивление достаточно чистых металлов можно представить в виде , где не зависит от температуры. При понижении температуры до сопротивление металлов уменьшается почти линейно, т. е. а при оно становится пропорциональным На рис. II 1.4 приведены характеристики некоторых проволочных металлических термометров сопротивления. Наиболее часто для термометров сопротивления используется чистая платина. Эти термометры применяются для измерений температур до 20° К. Платина химически инертна и обладает высоким удельным сопротивлением, зависимость от температуры которого линейна до 60° К. При температурах ниже 20° К температурный коэффициент сопротивления платины мал и применение ее становится нецелесообразным. В области температур жидкого гелия и ниже рекомендуется применять бронзовые термометры сопротивления. Это объясняется тем, что температурный коэффициент их не зависит от магнитных полей, которые обязательно присутствуют при этих температурах. В интервале температур 1—5° К применяют сплав бронзы с оловом и свинцом, а также фосфористую бронзу. Эти сплавы обладают более высоким температурным коэффициентом, хотя его величина и зависит от силы магнитного поля. В диапазоне от 3 до 5° К применяется сплав серебра.

Рис. III.4. Характеристики некоторых проволочных металлических термометров сопротивления: 1 — медь ; 2 — платина ; 3 — индий

В настоящее время в промышленности нормализованы только термометры сопротивления из платины и меди Термометры сопротивления выпускаются следующих типов: ТСП — термометр сопротивления платиновый, ТСМ — термометр сопротивления медный. В зависимости от целей применения медные и платиновые термометры сопротивления выпускаются герметичными и негерметичными. Промышленные медные термометры сопротивления применимы в диапазоне температур от —50° С до +180° С. Платиновые — в диапазоне от —200° С до +500° С. Постоянная времени промышленных термометров сопротивления колеблется от нескольких секунд до сотен секунд. Чувствительность термометра определяют по формуле

где — изменение сопротивления при изменении температуры на

Из этой формулы следует, что с увеличением сопротивления чувствительность возрастает. Однако существует оптимальное значение сопротивления, зависящее от условий работы. Термометр сопротивления является самым точным чувствительным элементом из числа применяемых для измерений температур. Он позволяет измерять температуру с точностью до 0,001° С. Для получения такой точности измерения температуры необходимо измерять сопротивление с точностью не ниже Термометр сопротивления обладает наибольшей надежностью при измерениях высоких температур. Основным недостатком этих термометров являются большие габариты, препятствующие применению их при измерениях температур в малых объемах. Для последних используют термисторы и термопары.

Полупроводниковые измерители температур. Сопротивление полупроводников, в противоположность металлическим термометрам, увеличивается с понижением температуры. Это можно объяснить следующим. Электропроводность полупроводникового элемента описывается формулой

где — число дырок в единице объема;

— подвижность их.

При понижении температуры числа в полупроводнике быстро убывают, значительно быстрее, чем их подвижности. Для измерения температур широко применяются полупроводниковые термосопротивления (термисторы). Удельное сопротивление термистора изменяется в зависимости от температуры по экспоненциальному закону

где А и В — постоянные.

Таблица III.2 (см. скан) Параметры некоторых термосопротивлений

Это является большим недостатком термисторов. На рис. II 1.5 приведены зависимости удельного сопротивления от температуры для платины, серебра, германия с небольшим количеством примесей, а также для термистора. Из приведенных кривых видно, что удельное сопротивление полупроводниковых материалов может возрастать на несколько порядков при небольшом даже понижении температуры. Промышленность в настоящее время выпускает следующие типы термисторов: (см. табл. II 1.2). Материалами для изготовления термисторов служат: медномарганцевые и кобальтомарганцевые соединения. Т ермисторы изготовляются в виде стержней ( и др.), а также в виде дисков или шариков. Термисторы шариковой формы монтируются на тонких проводах в вакуумированной или наполненной газом ампуле. Большое сопротивление термисторов позволяет располагать их на значительных расстояниях от измерительных схем. В результате небольших габаритов и малой теплоемкости термисторы обладают меньшей постоянной времени по сравнению с другими термометрами сопротивления. Диапазон измеряемых температур составляет от —60° С до +180° С. Термисторы позволяют измерять температуру с точностью до 0,0005° С. Некоторые полупроводниковые соединения, отличные от применяемых для изготовления термисторов, используются для измерения температур как более высоких, так и более низких, чем это допускают промышленные образцы. Например, корундовый полупроводник позволяет измерять температуру в диапазоне от 850 до 1100° С. Известно,

Рис. III.5. Кривые зависимости удельного сопротивления от температуры: 1 — серебро; 2 — платина; 3 — германий; 4 — термистор

что термометр в виде электропроводящего слоя на стекле позволяет измерять температуру в диапазоне от 1 до 300° К. Следует указать, что при низких температурах сопротивление полупроводника зависит от магнитных полей. Методы измерений, применяемые при полупроводниковых чувствительных элементах, не отличаются от применяемых при металлических.

Элементарные полупроводники. При низких температурах (вблизи от 1° К) наиболее удовлетворительные результаты можно получить с полупроводниковыми элементами из кристаллов германия и кремния. Однако в настоящее время нет никакой универсальной формулы, удовлетворительно описывающей зависимость сопротивления полупроводника от температуры.

Рис. III.6. Характеристики полупроводниковых и угольных термометров: а — характеристика термометра — германиевый диод при постоянном измерительном токе; — обобщенная зависимость сопротивления от температуры

При измерениях низких температур необходимо учитывать, что сопротивление этих термометров изменяется пропорционально квадрату магнитного поля. Кроме того, германиевые термометры необходимо защищать от действия светового потока. На рис. III.6, а приведена характеристика германиевого диода при постоянном измерительном токе.

Угольные термометры. Для измерений температур применяют также угольные термометры сопротивления, имеющие высокое удельное сопротивление и большой отрицательный температурный коэффициент. Они изготовляются из графита и углей. При низких температурах графит имеет отрицательный температурный коэффициент сопротивления, зависящий от содержания примесей и от величины кристаллических зерен. Для чистого графита величина удельного сопротивления при низких температурах пропорциональна Графит не теряет своих свойств и при высоких температурах и поэтому может применяться при измерениях температур в диапазоне Угольные термометры нечувствительны к магнитным полям. Термометр, изготовленный путем нанесения угольной сажи на бумагу, применялся для измерений температуры

ниже 1° К. Применяются термометры, изготовленные в виде взвесей графита в воде, спирте и других веществах, однако их характеристики воспроизводятся только при температурах жидкого водорода или ниже. В настоящее время для измерений низких температур используются промышленные угольные радиотехнические сопротивления, однако различные типы сопротивлений имеют отличные характеристики. Эмпирически получена зависимость сопротивления от температуры в виде

где R — сопротивление в омах;

— константы, определяемые экспериментально (рис. III.6, б).

Термопары. Термопара представляет собой цепь, состоящую из двух проводников, выполненных из различных материалов. При наличии разности температур на концах (спаях) термопары, между ними возникает электродвижущая сила. Концы термопары, присоединяемые к усилителю, называются холодным спаем, а присоединенные к объекту, температуру которого измеряют, — горячим. Горячий спай термопары может быть выполнен небольших размеров, что делает термопару удобным чувствительным элементом при измерениях температур в ограниченных объемах. Малый размер способствует и уменьшению ее постоянной времени. Диапазон температур, в котором применяются термопары, достаточно велик: от 0° К до 1600° С и выше. Характеристики термопары наиболее подходят для измерений температур до 1000° С. В этом интервале температур по точности термопары уступают только термометрам сопротивления и газовым термометрам. Свыше 1000° С они более надежны, чем другие термометры, и лишь при температурах выше уступают оптическим пирометрам. В табл. II 1.3 приведены наиболее часто применяемые типы термопар, а на рис. III.7 даны градуировочные кривые. Методы измерений температур с помощью термопар не отличаются от приведенных в начале главы. Малые значения э. д. с., получаемой от термопары, определяют необходимость применения усилителей с модуляцией. Во избежание погрешностей, при измерении необходимо стабилизировать температуру холодного спая или вводить в измерительную схему соответствующую поправку каким-либо автоматическим путем, например включением в цепь термопары компенсирующего сопротивления и т. п. Постоянная времени для различных типов промышленных термопар изменяется от нескольких секунд до сотен секунд. В отдельных случаях применяются специальные термопары: иридий-иридийродиевая — для измерения температуры до 2000° С; вольфрам-вольфрам-молибденовая — для измерения температур свыше 2000° С; вольфрам-молибденовая — для измерения в диапазоне до 2600° С; тантал-молибденовая — до 2600° С; вольфрам-танталовая — до 3000° С.

Чувствительность термопары определяется по формуле

где Е — выходное напряжение термопары;

Т — температура горячего спая (если холодный находится при 0° С); постоянные А, В и С зависят от материалов термопары.

Таблица III.3

Характеристики некоторых термопар

Рис. III.7. Градуировочные кривые некоторых термопар: — термоэлектродвижущая сила в милливольтах; — температура в градусах Цельсия; 1 — хромель-копель; 2 — железо-копель; 3 — хромель-алюмель; 4 — платино-родий-платина

Приближенные значения чувствительности для термопар, образованных из указанных материалов в паре с платиной, приведены в табл. III.4.

Таблица III.4

Чувствительность специальных термопар