Исследование характеристик тепловых преобразователей

 

Целью работы является получение навыков контактного измерения температуры, изучение характеристик тепловых преобразователей и снятие их градуировочных кривых.

Температура наряду с давлением и объёмом представляют собой одну из трёх основных величин, характеризующих термодинамическое состояние вещества, и непосредственно связано с его внутренней энергией.

Температура – это статическое понятие, которое применимо к системам, состоящим из большого числа частиц, находящихся в тепловом равновесии. Энергия частиц, усреднённая по их числу, и определяет температуру объекта системы.

Если несколько тел с различными температурами привести в соприкосновение, то происходит теплообмен, который приводит к выравниванию температур.

Теплообмен осуществляется тремя различными способами:

а) посредством теплопроводности (в твёрдых телах);

б) посредством конвекции (жидкости и газы);

в) посредством излучения.

Тепловыми называются преобразователи, принцип действия которых основан на использовании тепловых процессов (нагрева, охлаждения, теплообмена) и входной величиной которых является температура.

Температура как параметр теплового процесса не поддаётся непосредственному измерению.

В то же время она является функцией состояния вещества,

непосредственно связана с внутренней энергией тела, а через неё и с другими свойствами. Следовательно, при изменении температуры меняются и многие другие физические свойства тел (объёмное расширение тел при нагревании; зависимость сопротивления вещества от t°, возникновение термо-ЭДС), которые можно измерить.

Средства измерений температуры разнообразны и различаются диапазоном 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 затруднён или невозможен (движущийся или удалённый объект, агрессивная среда и т.п.) или когда недопустимо искажение температурного поля объекта за счёт размещения в нём термопреобразователя.

Для измерения температуры в зависимости от её значения, требуемой точности и условий измерений могут быть использованы различные приборы. В таблице (см. Приложение А) приведены ориентировочные значения диапазонов измеряемых температур и достигнутая точность измерений наиболее распространёнными приборами для измерения температур.

Для измерения температуры контактными средствами в основном используют термометры сопротивления и термоэлектрические термометры.

1. Металлы, предназначенные для изготовления чувствительных элементов, термометров сопротивления, должны обладать высокостабильным ТКС, линейной зависимостью сопротивления от температуры, хорошей воспроизводимостью значений электрического

сопротивления в интервале рабочих температур, инертностью к воздействиям окружающей среды. К таким материалам относится платина. Если верхний предел температуры применения термометра невысок, то широко применяются медные терморезисторы, вольфрамовые и никелевые.

В данной работе используется медный термометр сопротивления КТ2 типа ТСМ. Медные термометры сопротивления типа ТСМ могут применяться для длительного измерения температуры от – 50 до 200 °С (свыше 200 °С медь интенсивно окисляется).

Основные технологические данные медных преобразователей даны в Приложении Б.

К достоинствам меди, как материала, применяемого для изготовления чувствительных элементов термометров сопротивления типа ТСМ следует отнести дешевизну, простоту получения такой проволоки в различной изоляции, возможность получения проводниковой меди высокой чистоты (сплавы обладают меньшим значением ТКС), линейный характер зависимости сопротивления меди от температуры. К числу недостатков меди следует отнести малое удельное сопротивление (ρ= 1,7×10^-8 Ом×м) и интенсивную окисляемость при невысоких температурах.

Зависимость электрического сопротивления меди от температуры в диапазоне от – 50 до – 200 °С подчиняется уравнению:

 

,

 

где R_t и R₀ – сопротивления терморезистора, соответственно при температуре t и 0 °С;

a – ТКС меди (a = 4,26×10^-3 С^-1, К^-1).

Если для медного терморезистора требуется определить R₂ (при температуре t₂) по известному сопротивлению R₁ (при температуре t₁), то следует пользоваться формулой:

 

(1)

Рассмотрим графическую зависимость R_t= f(t) (см. рисунок 1).

 

Рисунок 1

 

Если продлить прямую R₁R₂ до пересечения с осью температур в точке Q, то получим ряд подобных треугольников. Отсюда следует соотношение:

(2)

 

Физический смысл параметра t состоит в том, что он выражает собой ту температуру, которая соответствует нулевому сопротивлению терморезистора при условии сохранения линейной зависимости до низких температур.

Из графика рисунка 1 можно определить R₀, соответствующую t = 0 °С.

Погрешности, возникающие при измерении температуры термометрами сопротивления, вызывается нестабильностью во времени начального сопротивления термометра и его ТКС, изменением сопротивления линии, соединяющей термометр с измерительным прибором, перегревом термометра измерительным током (обычно ток значительно меньше 10 мА).

2. Полупроводниковые терморезисторы имеют нелинейную

функцию преобразования:

 

, (3)

 

где a = –(0,025 – 0,04) ;

t = 20 °С.

Они отличаются от металлических терморезисторов большими значениями ТКС, а, следовательно, меньшими габаритами, меньшей инерционностью, большей чувствительностью. ТКС полупроводниковых терморезисторов отрицателен и уменьшается обратно пропорционально квадрату абсолютной температуры.

К числу недостатков полупроводниковых терморезисторов можно отнести следующие:

а) нелинейность зависимости от температуры;

б) малая допускаемая мощность рассеяния при прохождении измерительного тока;

в) значительный разброс от образца к образцу как номинального сопротивления, так и ТКС, (т.е. отсутствие взаимозаменяемости, необходимость индивидуальной градуировки).

Погрешность измерения температуры полупроводниковыми терморезисторами зависит в основном от нестабильности его сопротивления, погрешности градуировки, погрешности перегрева.

В данной работе использованы полупроводниковые терморезисторы типа КМТ-17А, СТ3-1, ММТ-1.

3. При плотном соединении (контакте) двух металлических поверхностей электроны из металла с меньшей работой выхода будут переходить в металл с большей работой выхода. При этом возникает контактная разность потенциалов, величины которой зависит от температуры.

Термоэлемент состоит из двух таких соединений (сваренных или спаянных), если их температуры одинаковы, то контактные напряжения компенсируются. Если контактные соединения имеют различную температуру, то возникает термо-ЭДС, вызывающая термоток. Его величина зависит от сопротивления цепи, материалов и разности температур.

Термоэлектрический метод измерения температур основан на строгой зависимости термо-ЭДС от температуры.

К термоэлектродным материалам, предназначенным для изготовления термопар, предъявляют ряд требований. Однозначная, желательно близкая к линейной, зависимость термо-ЭДС от температуры, стабильность и воспроизводимость термоэлектрической характеристики, высокая чувствительность, жаростойкость и механическая прочность, химическая инертность, термоэлектрическая однородность.

Функция преобразования термопары:

 

, (4)

 

где E(t, t₀) – термо-ЭДС преобразователя;

f(t), f(t₀) – функции температур рабочего спая и свободных (холодных) концов термопары.