15-6. ИЗМЕРЕНИЯ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Общие сведения.

Неэлектрические величины приходится измерять при научных исследованиях, например при изучении новых физических явлений, космоса, океана, недр земли, при определении состава и свойств веществ и новых материалов, при контроле и управлении технологическими производственными процессами, при контроле качества выпускаемой продукции и т. д. В измерении большого числа неэлектрических величин нуждается сельское хозяйство, медицина, служба охраны окружающей среды.

Перечень различных электрических средств измерений, выпускаемых промышленностью и предназначенных для измерения неэлектрических величин, весьма обширен.

Ввиду большого разнообразия как выпускаемых средств измерений, так и числа неэлектрических величин, которые необходимо измерять, невозможно рассмотреть измерения всех или даже значительного числа этих величин. Поэтому здесь рассматриваются измерения только некоторых величин, наиболее часто встречающихся в промышленности и при научных исследованиях. Например, необходимость измерения температуры, определение концентрации газообразных и жидких сред, давления жидкостей и газов встречается в химических производствах, в газовой и нефтяной промышленности, металлургии, теплоэнергетике, пищевой промышленности, в сельском хозяйстве, медицине, в службах охраны- окружающей среды и т. п. Измерения давлений, размеров, перемещений осуществляются в машиностроении, приборостроении, в частности в гибких автоматизированных производствах с использованием промышленных роботов. Поэтому в параграфе рассматриваются измерения температуры, давления, размеров и расстояний, концентрации жидких и газообразных сред.

Измерения температуры.

Общие сведения. Диапазон измеряемых в настоящее время температур очень широк: от температур, близких к «абсолютному нулю», до температур, достигающих десятков тысяч градусов. На практике наиболее часто требуется измерять стационарные или медленно изменяющиеся температуры (скорость примерно 1 °С в минуту). Вместе с этим встречается необходимость в измерении температур, изменяющихся на сотни градусов в секунду, например температур в газовоздушном тракте авиационного двигателя. Максимальная частота пульсаций измеряемой температуры в настоящее время ограничивается десятками килогерц (пульсация температуры кипения сжиженных газов). Требования к точности измерений температуры в некоторых случаях приближаются к требованиям метрологических измерений с наивысшей точностью.

Предельная точность измерений определяется точностью эталона температуры, который состоит из аппаратуры для воспроизведения шкалы между реперными точками. Наименьшая погрешность воспроизведения единицы температуры в диапазоне от — 200 до +1000°C характеризуется средним квадратическим отклонением результатов измерения 5, не превышающим 0,0005 °С при неисключенной систематической погрешности 0, не превышающей 0,0002 °С. Единица температуры за пределами указанной области воспроизводится со значениями .

Средства измерений температуры разнообразны и различаются диапазонами измерений, типом используемого термопреобразователя, наличием или отсутствием контакта между термопреобразователем и объектом измерений. По последнему признаку все средства измерений температуры делят на контактные и бесконтактные.

Средства для бесконтактных измерений применяют в случаях, когда измеряемая температура превышает 2500 °С, когда контакт термопреобразователя с объектом измерения затруднен или невозможен (движущийся или удаленный объект,

Таблица 15-10 (см. скан)

агрессивная среда и т. п.) или когда недопустимо искажение температурного поля объекта за счет размещения в нем термопреобразователя.

Для измерения температуры в зависимости от ее значения, требуемой точности и условий измерений могут быть использованы различные приборы. В табл. 15-10 приведены ориентировочные значения диапазонов измеряемых температур и достигнутая точность измерений наиболее распространенными приборами для измерения температур.

Контактные измерения температуры. Для измерения температуры контактными средствами в основном используют термометры сопротивления и термоэлектрические термометры (см. § 11-3).

Измерения температуры в диапазоне от —270 до + 1100 °С производят обычно термометрами сопротивления с платиновыми, медными или полупроводниковыми терморезисторами, термометрами с термотранзисторами, а также кварцевыми термометрами. Для точных измерений в указанном диапазоне температур рекомендуется применять термометры со стандартными платиновыми терморезисторами или цифровые кварцевые термометры. Однако для измерений нестационарных температур, изменяющихся со скоростью более 1 °С в минуту, эти термометры малопригодны ввиду их инерционности. В этом случае в указанном диапазоне применяют термометры с полупроводниковыми терморезисторами, с термотранзисторами или термоэлектрические термометры, чувствительные элементы которых отличаются малыми габаритами.

При температурах ниже — 260 °С термометры с металлическими терморезисторами имеют малые чувствительность и сопротивление. Поэтому при таких температурах используют термометры с полупроводниковыми терморезисторами, отличающимися повышенной чувствительностью в этой области температур. Термометры, чувствительный элемент которых выполнен из германия (типа ТГС-2), применяют при измерении температуры от 1,5 до 30 К с погрешностью ±0,1 К.

Измерения температур, достигающих сотен и тысяч градусов (до +2500 °С), производят термоэлектрическими контактными термометрами. Эти термометры по точности уступают термометрам сопротивления. Максимальную точность измерений в пределах до +1800°С обеспечивают термометры с термопарами из благородных металлов (типа приведенная погрешность которых не превышает Термоэлектрические термометры с термопарами из неблагородных металлов (типа и др.) используют для измерения температур, не превышающих 1000 °С, и когда не требуется высокой точности.

Рис. 15-35. Расположение теплочувствительной части термометра сопротивления для измерения температуры

Для измерения высоких температур (2000-2500 °С) применяют термометры с термопарами из тугоплавких металлов (вольфрам, молибден, рений). Термоэлектроды таких термопар для защиты от разрушающего термического и химического воздействия среды помещают в огнеупорную защитную арматуру.

При контактных измерениях температуры расплавленных металлов может быть применен метод, заключающийся в кратковременном погружении термопары в расплав на короткий интервал времени , в течение которого измеряется время от момента погружения и температура рабочего конца термопары путем измерения термо-ЭДС. Переходный процесс нагрева термопреобразователя описывается зависимостью

где — приращение температуры термопреобразователя за промежуток времени — разность температур расплава и преобразователя до его погружения в расплав; — постоянная времени преобразователя. Определив в момент времени и зная находят , т. е. температуру расплава.

При измерении температуры контактными термометрами появляется погрешность, возникающая за счет потерь теплоты через термопреобразователь. Любой термометр фактически измеряет температуру своего чувствительного элемента, помещенного в исследуемую среду. Температура же чувствительного элемента отличается от температуры среды вследствие постоянного теплообмена между ними.

Предположим, что преобразователь термометра погружен в измеряемую среду (рис. 15-35). Нижний конец преобразователя, содержащий чувствительную часть, находится в измеряемой среде, а верхний выступающий конец — вне ее. Допустим, что температура окружающего воздуха, в котором находится выступающий конец преобразователя, ниже, чем температура контролируемой среды. Тогда от более нагретого конца преобразователя теплота будет переходить в менее нагретый выступающий конец и рассеиваться в окружающем пространстве. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока температуры контролируемой среды и воздуха различны. На всем пути потока теплоты должен существовать градиент температуры, который обусловливает возникновение погрешности, т. е. разность температур среды и преобразователя. Аналогичная погрешность возникает при

потерях теплоты в результате лучистого теплообмена преобразователя с окружающими телами (стенками, ограничивающими контролируемую среду).

Для уменьшения этих погрешностей необходимо улучшать условия теплообмена теплочувствительной части преобразователя с контролируемой газовой или жидкой средой и уменьшать потери теплоты преобразователем. Практически это достигается размещением теплочувствительной части преобразователя в том месте, где скорость перемещения среды наибольшая; выступающая часть преобразователя для уменьшения потерь теплоты тщательно изолируется.

Изменение теплообмена преобразователя с окружающей средой приводит к изменению показаний термометра, поэтому глубину погружения преобразователей термометров нельзя произвольно изменять.

Выбор приборов для осуществления контактных измерений температуры должен производиться с учетом рекомендаций ГОСТ 6651-78 для термометров сопротивления и ГОСТ 3044-77 для термоэлектрических термометров.

Бесконтактные измерения температуры. Измерение температуры бесконтактными методами производят с помощью пирометров излучения.

Для измерения температур поверхностей нагретых тел в диапазоне от 30 до применяют радиационные пирометры, приведенная погрешность которых На точность измерения температуры такими пирометрами влияет состояние среды между пирометром и объектом исследования (наличие дыма, тумана, копоти и др.), в которой возможно поглощение или рассеяние энергии, излучаемой объектом. Более высокие точности при бесконтактных измерениях температуры удается получить с помощью оптических и фотоэлектрических пирометров.

Оптические (яркостные) пирометры применяют для измерения температур выше При измерениях температур до погрешность измерения оптическими пирометрами может достигать

Пирометрам излучения свойственна погрешность, обусловленная неполнотой излучения нагретых тел (см. § 11-3). Поэтому их показания зависят от излучательной способности объекта измерений, характеризуемой коэффициентом излучения значения которого для поверхностей некоторых тел и сред известны.

У цветовых пирометров, показания которых определяются отношением интенсивностей излучения в двух длинах волн эта погрешность отсутствует при условии, что

Для автоматического измерения температуры, не превышающей широко используют автоматические цветовые

и фотоэлектрические пирометры (приведенная погрешность

Измерение температур от 5000 до 10 000°С (температура плазмы) производят оптическими пирометрами и приборами, основанными на определении спектральной энергетической яркости плазмы.

Для бесконтактного измерения и регистрации температур в диапазоне от 30 до выпускают приборы агрегатного комплекса Комплекс включает в себя преобразователи интегрального и монохроматического излучения, вторичные преобразователи и устройства для отсчета и регистрации температуры