Комп’ютерний засіб вимірювання тиску і температури у кліматичній камері (стр. 3 из 6)
Інші плечі моста створено низькоомними резисторами R2, R3, R4. При температурі вільних кінців термопари, рівній 0 0С, міст зрівноважений (Uab = 0). При відхиленні температури вільних кінців термопари від 0 0С напруга Uab не дорівнює нулю і сумується з ЕРС термопари, що вносить поправку d в показання приладу.
Значення поправки регулюється резистором RS. В наслідок нелінійності функцій перетворення термопари повної компенсації похибки не виконується, але вказана похибка значно зменшується.
В даному випадку автоматична корекція похибки здійснюється методом допоміжних вимірювань, причому термометр опору є допоміжним вимірювальним перетворювачем, а поправка вводиться шляхом сумування напруг.
Останнім часом для виміру температур все більшого розповсюдження набувають кварцові термоперетворювачі, які мають високу розрізнювальну здатність і широкий частотний діапазон, добре захищені від завад і легко перетворюються в цифровий двійковий код.
Такі перетворювачі засновані на використанні прямого єзоелектричного ефекту, що полягає у виникненні електричних зарядів на поверхні деяких кристалів (кварцу, сегнетової солі і ін.) під дією механічних напруг.
З кристалу кварцу вирізається пластина, грані якої повинні бути перпендикулярні оптичній осі Z, механічній Y і електричній X (рис.2)
Під дією на пластину зусилля FX на гранях Х ç¢являються заряди
, (1.7)де к - єзоелектричний коефіцієнт.
Під час дії на пластину зусилля FY вздовж механічної осі, на тих же гранях виникають заряди
QY = (a/b) k FY, (1.8)
де а,b - розміри граней пластини.
Механічна дія на пластину вздовж оптичної осі не викликає появи зарядів.
При вимірювані температури, знаходять застосування п'єзорезонатори, в яких використовується одночасно прямий і зворотній п'єзоефекти. Останній полягає в тому, що якщо на електроди перетворювача подати змінну напругу, то в єзочутливому елементі (пластині) виникнуть механічні коливання, частота яких fР (резонансна частота) залежить від товщини h пластини, модуля пружності Е, густини r її матеріалу. При включенні такого перетворювача в резонансний контур генератора частоти, частота генерованих електричних коливань визначається як fР. Рівняння перетворення кварцового перетворення має вигляд
ft = fp + S txo, (1.9)
де fp, ft - відповідно частоти генерованих коливань при температурах t0 = 0
0C і вимірюваній температурі tх0;
S - чутливість термоперетворювача.
Чутливість кварцових термоперетворювачів досягає 200-1000 Гц/К, що дозволяє з їх допомогою визначати зміни температури порядку 0,001 - 0,01 0С. Кварцові термометри можуть функціонувати в діапазоні температур від - 200 0С до +600 0С.
Висока точність кварцових термометрів пояснюється високою стабільністю параметрів перетворювача і високими метрологічними характеристиками вимірювачів частоти. Недоліком таких перетворювачів є обмежена взаємозамінюваність, що пояснюється розкидом параметрів f0і S.
Контактні методи і засоби вимірів застосовуються для виміру температур в діапазоні від значень, близьких до абсолютного нуля, до 1500 оС. В окремих випадках, використовуючи термоперетворювачі з тугоплавких матеріалів або квазідотиковий метод виміру, при якому термоперетворювач на короткий час поміщується в середовище, що вимірюється, можна підвищити верхню межу вимірів до 2500-3000 оС.
З контактних методів виміру найбільш широке застосування одержали термоелектричний і терморезистивний методи. Інші контактні термометричні методи головним чином використовуються при наукових дослідженнях чи для відтворення температурної шкали. Термоелектричні та терморезистивні термометри широко застосовуються для виміру температури у виробничих умовах, при наукових дослідженнях. Переваги цих методів і відповідних засобів вимірів полягають в їхній простоті, надійності, низької вартості і можливості отримання високої точності вимірів. Крім Того, використовуючи контактні методи, можна легко створити багатоканальні вимірювальні системи для безупинного виміру параметрів температурного поля складних об'єктів, в тому числі при високих тисках і в труднодоступних місцях. Основні характеристики промислових терморезисторів і термопар, а також вимірювальні ланцюга термометрів опору та термоелектричних термометрів розглянуті в роботі [5].
При використанні термоелектричного та терморезистивного методів задача виміру температури зводиться до точного виміру відповідно ЕРС в діапазоні 0.1-200 мВ або опорі від часток Ома до десятків і сотень Ом. Ці задачі успішно вирішуються застосуванням сучасних засобів вимірів означених величин. Використання серійно підсилювачів, що випускаються вимірювальних й автоматичних реєструючих мостів та компенсаторів з покращеними характеристиками, цифрових мілівольтметрів, перетворювачів опору в цифровий код, а також мікропроцесорних приладів для корегування похибки термоперетворювачів забезпечує утворення засобів вимірів температури з надто низькими інструментальними похибками (0.1-0.5%). Так, відомі цифрові термоелектричні термометри з здібністю 0.1 К, що є основну похибки ±1% в діапазоні 4-2000 К і ±0,2% в діапазоні 73-2000 К. При відтворенні МПТШ застосовуються зразкові термометри, що забезпечують вимір температури між реперними точками з похибкою ±0, 001%. Однак навіть при використанні точних приладів похибка вимірів температури можуть сягати більших значень з-за наявності методичних похибок, спричинених самою суттю та принциповими особливостями контактних методів вимірів температури. Головне полягає в тому, що всі контактні методи засновані на перетворенні в сигнал вимірювальної інформації будь-якої термометричної властивостітермоперетворювача, а не об'єкту дослідження. Тому всі засоби вимірів, основані на цих методах, принципово вимірюють температуру термоперетворювача (вірніше, його дошкульного елементу), що в загальному випадку не рівна температурі об'єкту.
Крім того, при контактних методах вимірів температури вагоме значення має похибка, спричинена взаємодією об'єкту та засобу виміру, особливо якщо останнє використовується лише для періодичних вимірів та не є штатним приладом даного об'єкту. При поміщенні термоперетворювача в досліджуєме середовище, або у поверхні об'єкту завідомо порушується їхнє температурне поле як за рахунок власного споживання (чи віддання) теплової енергії термоперетворювачем, так і за рахунок теплообміну між об'єктом і навколишньою середою через термоперетворювач.
Як недолік контактних методів можна відмітити відносно великі динамічні похибки, спричинені значною тепловою інерційністю термоперетворювачів, постійні часу яких складають 10-60 та понад. Іншими недоліками є обмежена зверху межа виміру (1500-2500 оС), труднощі при вимірі температури рухомих об'єктів, а також порушення теплового та технічного стану поверхні, що досліджується. Від цих недоліків хвилі пірометричні та спектрометричні методи виміру температури.
Термомагнітний метод заснований на залежності магнітної сприйнятливості парамагнітних речовин або ядерної магнітної сприйнятливості від температури. У відповідності з законом Кюрі-Вейса магнітна сприйнятливість зворотньо пропорційна абсолютній температурі:
, (1.10)де С-коефіціент, пропорційний константі Кюрі;
а-поправка, що залежить від форми зразка, щільності і взаємодії іонів,
d - поправка, що враховує штарковське розчіплення та диполь-дипольну взаємодію.
Вимір температури термочастотними методами оснований на використанні залежності від температури частоти власних коливань різного роду резонаторів, швидкості розповсюдження звукових та ультразвукових коливань та параметрів частотно-залежних RC - або RL-цепей з терморезистором.
Найбільш розвинуті резонансні термочастотні методи, основані на застосуванні резонаторних датчиків, що являють собою автогенератори чи генератори з вимушеними коливаннями, частота яких настроюється в резонанс з частотою власних коливань резонатора, що змінюється з температурою.
Для виміру температури застосовуються механічні, газові та ядерні резонатори. Характеристика перетворення температури в частоту у таких резонаторів нелинійна. Рівняння перетворення термометрів з резонаторними перетворювачами на робочій ділянці характеристики можна представити у вигляді полиному
, (1.11)де коефіцієнти a, b та g вибираються в залежності від виду і характеристик резонаторів. При використанні кварцевих резонаторов похибка линійності надто незначна. У інших випадках для лінеаризації характеристики приладу необхідні додаткові прилади з функціональними перетворювачами. Розвиток мікропроцесорної техніки дозволяє створювати точні частотні термометри з похибкою лінійності не більш 10-5.