Измерение параметров потоков энергии
ГЛАВА ΙΙ.
Измерение параметров потоков энергии.
В число параметров, характеризующих материалы лёгкой промышленности, входят и такие: теплопроводность, теплоёмкость, коэффициенты отражения, поглощения света, радиоактивного излучения, электромагнитного излучения; или влияние этих энергетических полей на разрушения материалов.
Методы измерения этих параметров построены на способах контроля уровня падающего потока, отражённого, поглощённого.
Датчики контроля перечисленных энергетических потоков построены на преобразователях одной из физических величин в электрический сигнал с последующей измерительной схемой.
§ 1. Тепловые преобразователи.
Тепловым называется преобразователь, принцип действия которого основан на тепловых процессах и естественной входной величиной которого является температура. К таким преобразователям относятся термопары и терморезисторы, металлические и полупроводниковые. Основным уравнением теплового преобразования является уравнение теплового баланса , физический смысл которого заключается в том, что всё тепло, поступающее к преобразователю, идёт на повышение его теплосодержания Q , т.е. и, следовательно, если теплосодержание преобразователя остаётся неизменным , то количество поступающего в единицу времени тепла равно количеству отдаваемого.
Теплосодержание при неизменном агрегатном содержании вещества зависит от массы m и удельной теплоёмкости C материала преобразователя и связано с температурой преобразователя Т формулой QТС= mCT.
Рекомендуемые материалы
Теплообмен состоит в переходе некоторого количества тепловой энергии из одной части пространства в другую. Теплообмен может осуществляться тремя способами:
посредством теплопроводности, при котором перенос тепловой энергии происходит только путём взаимодействия частиц, находящихся в непосредственном соприкосновении друг с другом и имеющих различную температуру, такой теплообмен в чистом виде имеет место только в твёрдых телах.
Теплообмен посредством конвекции совершается путём перемещения материальных частиц и может иметь место только в жидкостях и газах. Движение потоков
Под действием внешних причин вызывает вынужденную конвекцию.
Теплообмен посредством излучения, которое представляет собой поток электромагнитных волн, излучаемых телом за счёт его тепловой энергии.
§ 1-1.Термоэлектрические преобразователи.
Явление термоэлектричества было открыто в 1823 году Зеебеком и заключается в следующем. На границе соприкосновении двух различных проводников имеются контактные скачки потенциала, которые существуют и при разомкнутой цепи. Это значит, что в контактном слое возникает ЭДС. Сторонние силы появляются в данном случае в результате давления электронного газа, которое различно в различных проводниках. Если соединить три проводника последовательно (рис.1.4),
тогда распределение потенциала в цепи имеет вид (рис.1.5).
Скачки потенциалов в контактах В, С равны по величине, но противоположны по знаку и показание вольтметра равно нулю.
Если температура контактов неодинакова, то ЭДС цепи не рана нулю. Это явление получило название термоэлектричества.
Положим в рис 1.4 температура Т1 больше Т2, т.к. тепловые скорости электронов вблизи
контакта В больше, чем в контакте С, то в проводнике 2 возникает поток диффузии электронов, направленный от В к С. Поэтому в проводнике 2 возникнут электрические заряды, а внутри проводника возникнет электрическое поле такой величины, чтобы ток дрейфа компенсировал ток диффузии. Следовательно, при наличии в проводнике градиента температуры в нём возникнёт и градиент электрического потенциала.
Однако термо ЭДС обусловлена и контактными скачками потенциала U12 и U21 (рис.1.6)
Сумма их уже не равна нулю. Напряжение V вольтметра (рис.1.4) и равно по величине Т.Э.Д.С. и складывается из двух физических явлений.
Подобная цепь, состоящая из двух различных проводников, называется термоэлектрическим преобразователем или иначе термопарой.
Проводники, составляющие термопару, - термоэлектроды, а места их соединения-спаи (рис 1.7). Опыт показывает, что у любой пары двух проводников значение Т.Э.Д.С. зависит только от природы проводников и от температуры спаев и не зависит от распределения температуры вдоль проводников. Термоэлектрический контур можно разомкнуть в любом месте и включить в него разрыв другие проводники. И если все появившиеся соединения имеют одинаковую температуру, то не возникнет никаких паразитных термо ЭДС. Можно разомкнуть контур в месте контактирования термоэлектродов А и В и вставить дополнительный проводник С между ними (рис.17). Значение термо ЭДС в этом случае определяется как :
Можно разорвать один из термоэлектродов и вставить дополнительный проводник. Значение термо-ЭДС не изменится.
Явление термоэлектричества принадлежит к числу обратимых явлений, обратный эффект был открыт в 1834г. Пелатье и назван его именем. Если через цепь, состоящую из двух различных проводников пропустить электрический ток, то теплота выделяется в одном слое и поглощается в другом.
В измерительной технике термопары получили широкое распространение для измерения температуры. Кроме того, полупроводниковые термоэлементы используются как обратные тепловые преобразователи.
Для конструирования термопар можно воспользоваться данными для ряда металлов, которые развивают термо-ЭДС в паре с платиной при температуре рабочего спая Т1=100 С и температуре свободных концов То=0 С (табл.1).
| материал | термо-ЭДС | материал | термо-ЭДС |
| кремний | +44,8 | алюминий | +0,4 |
| сурьма | +4,7 | никель | -1,5 |
| хромель | +2,4 | алюмель | -1,7 |
| нихром | +1,8 | константан | -3,4 |
| железо | 0,76 | копель | -4,5 |
| медь | 0,75 | ||
| серебро | 0,72 |
Зависимость термоЭДС от температуры в широком диапазоне температур нелинейная, поэтому данные таблицы нельзя распространять на более высокие температуры.
При конструировании термопар стремятся сочетать термоэлектроды, один из которых развивает с платиной положительную, а другой отрицательную термоЭДС, тогда их суммарная ЭДС складывается.
Для повышения выходной ЭДС используется несколько термопар, образуемых термобатарею, у которой рабочие спаи имеют не равные температуры, а электроды соединяются последовательно.
Рабочие концы термоэлектродов спаяны и находятся на объекте измерения, а свободные концы должны находиться при постоянной температуре. При большом удалении объекта измерения от измерительного прибора не всегда возможно выполнить термоэлектроды длинными. Поэтому термоэлектроды можно удлинять из материала другого металла. Чтобы при этом не изменялась термоЭДС термопары, необходимо выполнить два условия. Первое - места присоединения удлинительных электродов к основным термоэлектродам должны иметь одинаковую температуру. И второе – удлинительные термоэлектроды должны быть термоэлектрически идентичными основной термопаре, т.е. иметь ту же термоЭДС в диапазоне возможных температур места соединения термоэлектродов. Например – для термопары платинородий-платина применяются удлинительные термоэлектроды из меди и сплава ТП, образующие термопару, термоидентичную основной термопаре.
При неправильном подключении удлинительных электродов возникает погрешность измерения.
Другая погрешность возможна по причине изменения температуры свободных концов.
Градуировка термопар осуществляется при температуре свободных концов, равной нулю. Если же температура их не равна нулю, а отличается на величину +Т, то измеренная ЭДС будет меньше и необходимо внести поправку в показания термометра. Величина поправки ∆Т связана с разностью температур свободных концов через коэффициент k, называемый поправочным коэффициентом. Определить его приближенно можно из соотношения
, где Т0=00С;
- температура свободных концов.
Практически для хромель-копелевой термопары он лежит в пределах 0,8-1; для платинародий-платина – 0,82 - 1,11. при малом значении ∆Т k можно принять равным 1.
Для автоматического введения поправки на температуру нерабочих электродов на рис. 18 схематически показано устройство.
рис. 18
В цепь термопары и милливольтметра включен мост, одним из плеч которого является терморезистор Rt из медной или никелевой проволоки, помещенный возле нерабочих спаев термопары (остальные плечи моста выполнены из манганиновых резисторов). При температуре Т0 мост находится в равновесии и напряжение на его выходной диагонали равно нулю. При повышении температуры нерабочих спаев сопротивление Rt тоже увеличивается, мост выходит из равновесия и возникающее напряжение на диагонали корректирует уменьшением термо-ЭДС термопары.
Полной коррекции нет, но погрешность уменьшается.
В термоэлектрических термометрах для измерения ЭДС применяют как обычные милливольтметры, так и компенсаторы. С компенсаторами сопротивление цепи термо ЭДС роли не играет. В случае не измерения милливольтметра может возникнуть погрешность, вызванная изменением сопротивления цепи.
В большинстве термометров на термопаре при их градуировке учитывается сопротивление внешней цепи, т.е. проводов и термопары (Rпр+Rт), равное 5 Ом. Регулировка сопротивления этой внешней цепи осуществляется при помощи добавочной катушки сопротивления при монтаже прибора.
Термопары промышленного типа и их основные параметры приведены в таблице 2.
| Обозначение термопары | Обозначение градуировки | Материал термоэлектродов | Предел измерений, 0С | Верхний предел, кратковременный | |
| от | до | ||||
| ТПП | ПП-1 | платинородий (10% родия) - платина | -20 | 1300 | 1600 |
| ТПР | ПР-30/6 | платинародий (30% родия) - платина | 300 | 1600 | 1800 |
| ТХА | ХА | хромель - амель | -50 | 1000 | 1300 |
| ТХК | ХК | хромель - копель | -50 | 600 | 800 |
Для измерения температур ниже указанных в таблице 2 и выше применяются специальные термопары.
§1—2. Терморезисторы.
Терморезистором называется измерительный преобразователь, активное сопротивление которого изменяется при изменении температуры.
Большинство химически чистых металлов обладает положительным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС). К таким материалам в первую очередь относится платина, но может быть и медь.
Сопротивление платиновых терморезисторов в диапазоне температур от 0 до +650°С выражается соотношением:
Rτ=Ro(1+AT+BT2),
Где Ro—сопротивление при 0°С;
А=3,9684*10-3 /К;
В=-5,847*10-7/К2,
В интервале от 0 до 200 °С зависимость имеет вид:
Rт=Ro(1+AT+BТ2+C(T-100)3,
Где С=-4,22*10-12/К3.
При расчете сопротивлений медных проводников в диапазоне от -50 до +180°С можно пользоваться формулой:
Rт=Ro(1+αT), где α=4,26*10-3 К.
Если для медного терморезистора требуется определить сопротивление Rт2 (при температуре Т2) по известному сопротивлению Rт1(при температуре Т1), то следует пользоваться формулой:
Конструктивно металлические терморезисторы изготавливаются в виде плоского или цилиндрического каркаса с бифилярной намоткой проволоки, с выводами и называются термометры сопротивления.
Полупроводниковые терморезисторы отличаются от металлических меньшими габаритами и большими значениями ТКС. Их ТКС отрицателен и пропорционален:
α=В/Т2.
Температурная зависимость ПТР описывается формулой
где Т - абсолютная температура;
А-коэффициент с размерностью сопротивления;
В- коэффициент с размерностью температуры.
Если для ПТР не известны коэффициенты А и В, но известны Т1 и Т2, то величину сопротивления и коэффициент В можно определить из
;
ПТР(термисторы) имеют более высокую чувствительность, малые габариты, большое сопротивление R0, но-нелинейную функцию преобразования, большой разброс их параметров, свойство стареть, т.е. менять параметры.
Терморезисторы сопротивления чаще всего включается в мостовые измерительные цепи (рис.19).
рис.19
В лекции "5 Адвокатура" также много полезной информации.
На рис. 19 резисторы R1, R2, R3, Rт образуют мост; r1, r2, r3-сопротивление соединенных проводников. Если длина r3 и r2 значительная (несколько метров), то может возникнуть погрешность от температурного изменения этой линии, т.к. она включена последовательно с Rт. Например, сопротивление r3 и r2 порядка 5 Ом, а Rт=53 Ом, то изменение температуры линии на 10ºC приведет к изменению показания прибора на 1ºC. Для уменьшения погрешности применяют трехпроводную линию. При этом термометр подключается к мостовой цепи так, чтобы два провода линии r2 и r3 вошли в разные плечи моста, а третий r1оказался подключенным последовательно с источником питания.
При применении высокоомных термометров (например, полупроводниковых), когда их сопротивление много больше линии, этой погрешностью можно пренебречь.
По величине сопротивлений при 0ºС (R0) промышленные платиновые термометры изготавливаются трех типов: с R0= 10 Ом, R0= 50 Ом и R0= 100 Ом и охватывают диапазон измеряемых температур от -200ºС до +600ºС. Медные термометры выпускаются с R0= 50 Ом и R0= 100 и измеряют температуру от -50ºС до +180ºС.
Генераторные термоэлектрические преобразователи представляют собой особую разновидность пьезоэлектрических кристаллов и отличаются от пьезоэлектриков тем, что их ячейка имеет несколько взаимно неуравновешенных полярных направлений. Благодаря этому указанная группа кристаллов поляризуется при всестороннем гидростатическом давлении или тепловом расширении. Этот класс преобразователей в сочетании с электронными усилителями очень чувствителен к тепловым полям.
Применяются тепловые преобразователи и для измерения других физических величин: скорости потока жидкостей или газов (термоанемометры); анализа состава и плотности газов (газоанализаторы); давления или разряжения газов (вакуумметры); механических перемещений.
Основные недостатки подобных преобразователей – их инерционность и зависимость чувствительности от параметров окружающей среды: температура, давления, влажность.
