11-3. ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ

Общие сведения. Электрические приборы, предназначенные для измерения температуры, называют электрическими термометрами. Электрический термометр представляет собой сочетание (комплект) преобразователя температуры (терморезистора, термопары и т. д.) с электрическим измерительным прибором.

В зависимости от типа используемого термопреобразователя приборы называют термометрами сопротивления, термоэлектрическими термометрами, термотранзисторными термометрами и др.

Приборы для измерения температуры, использующие энергию нагретых тел, называют пирометрами. В отличие от термометров они предназначены для бесконтактного измерения температуры.

Электрические термометры сопротивления.

Прибор представляет собой терморезистор, включенный в измерительную цепь, которой в большинстве случаев является равновесный или неравновесный мост. Терморезистор может быть включен в мост по двухпроводной или трехпроводной схеме.

Если терморезистор включен в одно из плеч моста с помощью двух проводов (двухпроводная схема), за счет изменения сопротивления проводов при колебании окружающей температуры возникает погрешность , где — изменение сопротивления проводов; и — начальное сопротивление терморезистора (при ) и его температурный коэффициент.

Рис. 11-25. (см. скан) Мостовые трехпроводная (а) и двухпроводная (б) схемы включения преобразователей термометра сопротивления

Для уменьшения погрешности от изменения сопротивления соединительных проводов применяют трехпроводную схему (рис. 11-25, а). В этой схеме два провода включены в соседние плечи моста, а третий — в диагональ питания. При работе этой цепи в равновесном режиме и при условии, что погрешность от изменения сопротивления проводов отсутствует. При работе же в неравновесном режиме погрешность значительно меньше, чем при двухпроводной схеме включения.

Существенное влияние на работу мостовой цепи в неравновесном режиме оказывает изменение напряжения питания. На рис. 11-25, б дана мостовая неравновесная схема с логометром, в которой исключается влияние изменения напряжения питания. Резистор служит для уравновешивания моста при начальной измеряемой температуре. Резистор (уравнительный) дополняет сопротивление проводов до значения, принятого при градуировке (5 или 15 Ом). Для подгонки сопротивления в схеме предусмотрен резистор (контрольный), сопротивление которого равно сопротивлению терморезистора, соответствующему определенной отметке на шкале прибора. Включив вместо в плечо моста, уменьшают сопротивление до тех пор, пока стрелка логометра не станет на указанную выше отметку шкалы. После этого резистор закорачивают.

Если сопротивление резистора выбрано равным сопротивлению плеча моста с терморезистором при среднем значении температур, измеряемых прибором, и — сопротивление катушек логометра), то отношение токов в катушках логометра

где — изменение сопротивления терморезистора при отклонении температуры от среднего значения; . — сопротивление терморезистора при среднем значении температур, измеряемых прибором). Как видно из уравнения, отношение токов зависит от а следовательно, показания логометра зависят от измеряемой температуры.

Для уменьшения погрешности от изменения сопротивления проводов в этой схеме возможно трехпроводное включение преобразователя.

Для измерения температуры с помощью стандартных медных и платиновых терморезисторов промышленность выпускает автоматические мосты классов точности 0,25; 0,5.

Термоэлектрические термометры.

Термометры состоят из термоэлектрического преобразователя (термопары) и электроизмерительного прибора (милливольтметра или компенсатора).

На рис. 11-26 приведена схема термоэлектрического термометра с милливольтметром, в которой термопара; УП и СП — соответственно удлинительные и соединительные провода; милливольтметр; уравнительный резистор.

Показания милливольтметра где термопары; внешнее сопротивление; — соответственно сопротивление термопары, проводов, уравнительного резистора и милливольтметра.

Как видно из приведенной формулы, показания милливольтметра при постоянных определяются значением ЭДС термопары и, следовательно, измеряемой температурой. Шкала прибора в этом случае может быть градуирована в градусах с указанием типа термопары и выбранного значения внешнего сопротивления. Для подгонки внешнего сопротивления до значения, при котором производилась градуировка (0,6; 5; 15 или 25 Ом), используют уравнительный резистор

В этих термометрах возможна погрешность от изменения сопротивления термопары и проводов. Сопротивление термопары изменяется с изменением глубины погружения, т. е. с изменением соотношения нагретой и холодной частей термопары. Кроме того, изменение глубины погружения термопары вызывает также изменение погрешности, обусловленной наличием тепловых потерь преобразователя (см. § 15-6). Поэтому глубину погружения термопары выбирают в соответствии с паспортными данными термопары.

Сопротивление проводов изменяется при колебаниях температуры воздуха. Для уменьшения влияния изменения сопротивления термопары и проводов применяют милливольтметры с большим внутренним сопротивлением.

Изменение температурных условий влияет на милливольтметр (на сопротивление катушки), что тоже вызывает погрешность.

Изменение температуры свободных концов термопары приводит к изменению показаний милливольтметра. Для устранения влияния температуры свободных концов применяют различные способы введения поправок.

Если шкала милливольтметра градуирована в милливольтах, то к показанию милливольтметра прибавляют (с учетом знака) поправку, равную значению термо-ЭДС, соответствующему отклонению температуры свободных концов термопары от Поправка положительна, если или поправка отрицательна, если или — соответственно температура свободных концов и измеряемая). Если шкала милливольтметра

Рис. 11-26. Термоэлектрический термометр

Рис. 11-27. Термоэлектрический термометр с автоматическим вводом поправки на изменение температуры свободных концов термопары

градуирована в градусах для определенной градуировки термопары, то необходимо к показаниям милливольтметра прибавлять с учетом знака поправку, равную отклонению температуры свободных концов от умноженному на коэффициент к. Этот коэффициент, учитывающий нелинейность характеристики преобразования термопары, зависит от измеряемой температуры. Для грубых расчетов принимают для термопар из неблагородных металлов и для термопар из благородных металлов. Используют также способы автоматического и полуавтоматического введения поправок.

Полуавтоматический способ заключается в том, что при отключенной термопаре стрелку милливольтметра корректором устанавливают на отметку шкалы, соответствующую значению поправки в градусах, рассчитанной указанным способом. После этого прибор будет автоматически вводить нужную поправку. При изменении температуры свободных концов необходимо изменять положение стрелки милливольтметра при отключенной термопаре.

На рис. 11-27 приведена схема термометра с автоматическим введением поправки. Для этого последовательно в цепь термопары и милливольтметра включают неравновесный мост, в котором резистор выполнен из меди и находится в зоне, имеющей температуру свободных концов термопары; резисторы Из и сделаны из манганина.

При градуировке термометра мост находится в равновесном состоянии. В процессе эксплуатации при отклонении температуры свободных концов термопары от значения, при котором производилась градуировка, на диагонали моста появляется разность потенциалов, суммирующаяся с термо-ЭДС термопары. Параметры моста подобраны так, что изменение термо-ЭДС от колебаний температуры свободных концов практически

полностью компенсируется напряжением, снимаемым с моста. Чувствительность моста регулируют с помощью резистора

В термоэлекрических термометрах для измерения ЭДС термопары используют также автоматические компенсаторы. Автоматические компенсаторы имеют меньшую основную погрешность, чем милливольтметры, на них не влияют изменения сопротивления проводов и термопары, а также они автоматически исключают влияние изменения температуры свободных концов термопары (см. § 7-4).

Для измерения температуры с помощью стандартных термопар промышленность выпускает автоматические компенсаторы классов точности 0,25; 0,5.

Кварцевые и термотранзисторные термометры.

Кварцевые термометры состоят из кварцевого термочувствительного преобразователя (см. § 11-2), включенного в колебательный контур генератора, и частотомера. Характеристика преобразования кварцевого термопреобразователя в диапазоне температур имеет вид где — частоты генерируемых колебаний при температурах и измеряемой — чувствительность преобразователя.

Чувствительность кварцевых термопреобразователей достигает что позволяет с их помощью определять изменение температуры порядка Кварцевые термометры могут работать в диапазоне температур от —260 до но наименьшую погрешность они имеют в диапазоне

Высокая точность кварцевых термометров объясняется повышенной стабильностью параметров преобразователя и высокими метрологическими характеристиками измерителей частоты. Недостаток этих термометров — ограниченная взаимозаменяемость, объясняемая разбросом значений

Термотранзисторные термометры состоят из термотранзистора (см. § 11-2), включенного в неравновесный мост, и милливольтметра (аналогового или цифрового) на выходе моста.

Серийно выпускается несколько модификаций термотранзисторных термометров, например, цифровой термометр для температур от —60 до с приведенной погрешностью от ±0,2% до ±1,0%.

Пирометры излучения.

Пирометрами называют приборы для измерения температуры, работа которых основана на использовании энергии излучения нагретых тел.

Достоинство этих приборов состоит в том, что они не искажают температурного поля объекта (измерение осуществляется бесконтактным способом) и не имеют ограничения для расширения предела измерений в сторону высоких температур.

Принцип действия пирометров излучения основан на зависимости энергии излучения нагретых тел от их температуры. Законы температурного излучения совершенно точно определены для абсолютно черного тела.

Температурное излучение характеризуют переносимой им энергией. Количество лучистой энергии в лучах длиной волны от К до излучаемой телом с единицы поверхности в единицу времени, называют монохроматической интенсивностью излучения. Количество лучистой энергии, излучаемой при данной температуре единицей поверхности тела в единицу времени для длин волн от 0 до называют интегральной интенсивностью излучения.

Для абсолютно черного тела зависимость монохроматической интенсивности излучения от температуры тела и длины волны выражают уравнением

где — постоянные излучения; — длина волны, для которой определяют интенсивность излучения; — основание натуральных логарифмов; Т — абсолютная температура. Эта зависимость положена в основу измерения температуры при помощи оптических пирометров.

Логарифм отношения интенсивностей излучения при длинах волн и и при малых значениях

где — постоянные, зависящие от и

Полученная зависимость используется при измерении температуры цветовыми пирометрами.

Для абсолютно черного тела интегральная интенсивность излучения

где — постоянный коэффициент. На этой зависимости основано измерение температуры радиационными пирометрами.

Монохроматическая и интегральная интенсивности излучения всякого физического тела всегда меньше, чем у абсолютно черного тела, при одинаковой температуре. Для физических тел

где — коэффициенты, соответственно, монохроматического и интегрального излучения, меньшие единицы.

Рис. 11-28. Оптический пирометр

Значения различных физических тел различны и зависят от многих трудно учитываемых факторов: от состава вещества, состояния поверхности тела, температуры тела и т. д. Поэтому градуировку пирометров излучения производят по излучению абсолютно черного тела. При измерении температуры физического тела возникает погрешность, которую можно учесть, если известны коэффициенты и е.

Если коэффициенты монохроматического излучения тела в двух длинах волн равны, то логарифм отношения интенсивностей излучения не зависит от е. Поэтому в цветовых пирометрах при указанных условиях не требуется вводить поправку на неполноту излучения объекта.

В оптическом пирометре интенсивность излучения нагретого тела измеряют путем сравнения в монохроматическом свете яркости исследуемого тела с яркостью нити лампы накаливания. Пирометр предварительно градуируют по излучению абсолютно черного тела. Под яркостью понимают отношение силы света в данном направлении к проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную тому же направлению. Два тела, имеющие в одном направлении одинаковую яркость, обладают одинаковой интенсивностью излучения.

На рис. 11-28 показан оптический пирометр. В этом пирометре яркость исследуемого тела 1 сравнивается с яркостью нити фотометрической лампы 4. Яркость нити лампы, накаливаемой от источника регулируют реостатом Фотометрическая лампа встроена в телескоп, имеющий объектив 2 и окуляр 5. При измерении температуры телескоп направляют на исследуемое тело 1 и передвижением объектива и окуляра добиваются получения четкого изображения тела и нити фотометрической лампы в одной плоскости. Изменяя ток в фотометрической лампе, добиваются совпадения яркости нити и исследуемого тела. Отсчет показаний в момент совпадения яркости производят по шкале вольтметра, который градуируют в градусах температуры абсолютно черного тела. Иногда для повышения точности измерения тока или падения напряжения на нити лампы применяют компенсатор постоянного тока.

Для того чтобы интенсивности излучения сравнивались в спектре монохроматических лучей, в пирометре предусмотрен

Рис. 11-29. Радиационный пирометр

красный светофильтр 6, пропускающий лучи длиной 0,62 мкм и выше. Человеческий глаз чувствителен к лучам длиной волны до 0,73 мкм. Таким образом, сравнение интенсивностей излучения происходит практически в узком спектре мкм.

Нить фотометрической лампы допустимо накаливать до определенной температуры (1400 °С), а поэтому для увеличения верхнего предела измеряемых температур в пирометре имеется ослабляющий светофильтр 3, уменьшающий яркость исследуемого тела в определенное число раз.

Основная погрешность оптического пирометра обусловлена в основном неполнотой излучения реальных физических тел. Требования к техническим характеристикам оптических пирометров изложены в ГОСТ 8335-81.

Промышленность выпускает оптические пирометры, например с помощью которых можно производить измерения в широком диапазоне температур (800-10000 °С).

В радиационных пирометрах (рис. 11-29) интегральная интенсивность излучения воспринимается теплочувствительным элементом. Внутри телескопа, имеющего объектив 2 и окуляр 5,

Рис. 11-30. Схема (а) и диаграмма (б) световых потоков фотоэлектрического яркостного пирометра

расположена помещенная в стеклянный баллон термобатарея из последовательно включенных термопар 3. Рабочие концы термопар находятся на лепестке, покрытом платиновой чернью. Телескоп наводят на объект 1 так, чтобы лепесток перекрывался изображением объекта и вся энергия излучения падала на рабочие концы термопар. Термо-ЭДС термобатареи является функцией мощности излучения, а следовательно, и температуры тела. Для защиты глаза при наводке телескопа предусмотрен светофильтр 4.

Радиационные пирометры градуируют по излучению абсолютно черного тела, и для них также характерна погрешность от неполноты излучения физических тел. Точность радиационных пирометров ниже точности оптических. Основные параметры радиационных пирометров регламентированы ГОСТ 6923-81 и 10627—71.

Для измерения температур в широком диапазоне выпускают несколько типов радиационных пирометров. Среди них, например, пирометры типа РАПИР для температур 100-4000 °С.

В фотоэлектрических пирометрах для измерения интенсивности излучения объекта применяют фотопреобразователи (фотоэлементы).

На рис. 11-30, а приведена упрощенная структурная схема фотоэлектрического яркостного пирометра. Фотоэлемент 4 освещается с одной стороны от объекта измерения 1 через диафрагмы

2, 3 и светофильтр 7, с другой стороны — от лампочки накаливания 9 через ту же диафрагму 3 и светофильтр 7. Диафрагму 3 перекрывает колеблющийся якорь 8 электромагнита таким образом, что на фотоэлемент попадают изменяющиеся во времени световые потоки обоих источников излучения; при этом фазы переменных составляющих обоих потоков сдвинуты на 180° (рис. Результирующий световой поток Ф, имеющий переменную составляющую, амплитуда которой определяется разностью амплитуд переменных составляющих световых потоков преобразуется фотоэлементом в фототок. Переменная составляющая фототока усиливается усилителем переменного тока 5, выпрямляется фазочувствительным выпрямителем 6 и в виде постоянного тока направляется в миллиамперметр и лампу накаливания 9.

Таким образом, в этом приборе осуществляется уравновешивающее преобразование, благодаря чему показания прибора не зависят от нестабильности характеристик фотоэлемента, усилителя и фазочувствительного выпрямителя.

В этом пирометре используется сурьмяно-цезиевый фотоэлемент, который в сочетании со светофильтром делает прибор чувствительным к узкому спектру волн, близкому к спектру,

воспринимаемому оптическим пирометром. Это позволяет градуировать фотоэлектрический пирометр по образцовому оптическому пирометру.

Рассматриваемый фотопирометр сочетает в себе сравнительно высокую точность (приведенная основная погрешность ± 1 %), присущую оптическим пирометрам, и способность работать в автоматическом режиме, что характерно для радиационных пирометров. Пирометр имеет несколько диапазонов измерений. Переход с одного диапазона на другой осуществляют заменой диафрагмы 2.

Выпускают несколько типов цветовых фотоэлектрических пирометров, предназначенных для автоматического непрерывного измерения, регистрации и регулирования температуры расплавленных металлов и сплавов. Например, пирометр «Спектропир-6» работает в диапазоне температур 900-2200 °С, основная погрешность 1 %.