Технические измерения (стр. 12 из 14)
Применение микропроцессорных систем контроля позволяет объединять приборы, выполняющие различные функции, в одну контрольно-измерительную систему. В результате совершенствования микропроцессоров и увеличения числа выполняемых ими функций стали появляться универсальные многофункциональные системы — мультиметры. Так, например, использование микропроцессоров в электрических мостовых контролирующих устройствах позволяет при контроле получить на выходе такого устройства одновременно данные о емкости, сопротивлении утечки, тангенсе угла потерь конденсатора и катушки индуктивности, активном и индуктивном сопротивлениях, а также добротности катушки индуктивности. Микропроцессор может управлять временем измерения, осуществлять выбор диапазона измерения, выполнять функции интерфейса. Кроме того, он может обеспечивать автоблокировку, самодиагностирование, статистический анализ, коррекцию ухода нуля, линеаризацию характеристик измерительных преобразователей.
4.12. Измерение температуры
Измерять температуру можно только косвенным путем, основываясь на зависимости от температуры таких физических свойств тел, которые поддаются непосредственному измерению. К ним относят длину, объем, плотность, термоЭДС, электрическое сопротивление и т. д. Вещества, характеризующиеся термометрическими свойствами, называют термометрическими.
4.12.1. Температурные шкалы и единицы тепловых величин
Установлено, что нет ни одного термометрического свойства, которое линейно изменяется с изменением температуры и не зависит от других факторов в широком интервале измерения температур.
Фарангейт (1715 г.), Реомюр (1776 г.), Цельсий (1742 г.) при построении шкал использовали две опорные, или реперные точки, представляющие собой температуры фазового равновесия чистых веществ, и наличие линейной связи между температурой и термометрическими свойствами жидкости.
Связь между шкалами Цельсия, Реомюра и Фарангейта можно представить соотношением toC = 1,25oR = (5/9)×(toF – 32).
Создание температурной шкалы, не зависящей от термометрических свойств вещества (абсолютной шкалы), принадлежит Кельвину (1848 г.). Термодинамическая (абсолютная) шкала основана на втором законе термодинамики. В соответствии с этим законом коэффициент полезного действия тепловой машины, работающей по обратимому циклу Корно, определяется только температурами нагревателя и холодильника и не зависит от свойств вещества. Кельвиным для определения температуры было предложено использовать равенство Тн/Тх = Qн/Qх ,
где Тн, Тх – соответственно температура нагревателя и холодильника;
Qн, Qх – соответственно количество теплоты, полученное рабочим веществом от нагревателя и отданное холодильнику.
Кельвин – 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды. Термодинамическая температура может быть также выражена в градусах Цельсия: t = Т – 273,15 К.
В настоящее время действует принятая на ХIII конференции по мерам и весам усовершенствованная шкала под названием "международная практическая температурная шкала 1968" (МПТШ – 68). Температуры МПТШ – 68 снабжаются индексами Т68 или t68.
МПТШ – 68 основывается на ряде воспроизводимых состояний равновесия (реперных точек) некоторых веществ – 11 основных и 27 вторичных реперных точек, охватывающих диапазон температур от 13,956 до 3660 К (от –259,194 до 3387 оС). Числовые значения температур по основным реперным точкам, приведенные в табл. 4.2, соответствуют термодинамической шкале и определены с помощью газовых термометров.
Таблица 4.2
Основные реперные точки МПТШ – 68
| Состояние равновесия | Температура | Состояние равновесия | Температура | ||
| Т68 К | t68, оС | Т68 К | t68, оС | ||
| Тройная точка водорода | 13,81 | -259,34 | Точка кипения воды | 373,15 | 100 |
| Точка кипения водорода | 20,28 | -252,87 | Точка затвердевания олова | 505,1181 | 231,9681 |
| Точка кипения неона | 27,102 | -246,048 | Точка затвердевания цинка | 692,73 | 419,58 |
| Тройная точка кислорода | 54,361 | -218,789 | Точка затвердевания серебра | 1235,08 | 961,93 |
| Точка кипения кислорода | 90,188 | -182,962 | Точка затвердевания золота | 1337,58 | 1064,430 |
| Тройная точка воды | 273,16 | 0,01 | |||
Газовые термометры бывают трех типов: постоянного объема, постоянного давления и постоянной температуры. В газовом термометре постоянного объема (рис.4.68) изменение температуры газа пропорционально изменению давления. Газовый термометр состоит из баллоны 1 и соединительной трубки 2, заполненных через вентиль 3 водородом, гелием или азотом (для высоких температур). Соединительная трубка 2 подсоединена к трубке 4 двухтрубного манометра, у которого трубку 5 можно перемещать вверх и вниз благодаря гибкому соединительному шлангу 6.
При измерении температуры объем системы, заполненной газом, изменяется, и для приведения его к первоначальному значению трубку 5 вертикально перемещают до тех пор, пока уровень ртути в трубке 4 не совпадет с осью Х-Х. При этом столб ртути в трубке 5, отсчитанный от уровня Х-Х, будет соответствовать давлению газа Р в баллоне. Если при температуре тройной точки воды Т0 давление газа в баллоне равно Р0, то при измеренном давлении Р искомая температура
.Таблица 4.3
Единицы тепловых величин
| Величина | Наименование | Обозначение | |
| Русское | Меж-дуна-родное | ||
| Температура | Кельвин | К | K |
| Количество теплоты | Джоуль | Дж | J |
| Теплоемкость, энтропия | Джоуль на кельвин | Дж×К-1 | J×K-1 |
| Тепловой поток | Ватт | Вт | W |
| Коэффициент теблообмена, коэффициент теплопередачи | Ватт на квадратный метр-кельвин | Вт×м-2×К-1 | W×m-2×K-1 |
| Коэффициент теплопроводности | Ватт на метр-кельвин | Вт×м-1×К-1 | W×m-1×K-1 |
| Температурный коэффициент линейного расширения | Метр на метр-кельвин | м×м-1×К-1 | m×m-1×K-1 |
| Температурный коэффициент объемного расширения | Кубический метр на кубический метр-кельвин | м3×м-3×К-1 | m3×m-3×K-1 |
Интерполяция между реперными точками шкалы производится с помощью эталонных: платинового термометра сопротивления в интервале от 13,81 до 903,89 К; платинородий-платиновой термопары в интервале температур от 903, 89 до 1337,58 К; квазимонохроматического термометра с использованием закона излучения Планка при температуре свыше 1337,58 К.
По системе SI единицы некоторых тепловых величин, применяемые в Российской Федерации, приведены в табл. 4.3.
4.12.2. Механические контактные термометры
К механическим контактным термометрам относятся: дилатометрические, биметаллические, жидкостные стеклянные, жидкостные манометрические, конденсационные манометрические и газовые.
Дилатометрический термометр (рис. 4.69, а) выполняется в виде металлической трубки с большим температурным коэффициентом линейного расширения и стержня (например, фарфорового) с малым коэффициентом линейного расширения, скрепленных между собой.
Разность перемещений концов трубки и стержня, вызванная изменением температуры, воспринимается рачажно-зубчатой системой и передается на отсчетное устройство.
Биметаллический термометр (рис. 4.69, б) состоит из двухслойной металлической ленты с разными коэффициентами линейного расширения. Наибольшее распространение получили ленты из латуни и инвара. При изменении температуры лента изменяет форму, что передается на отсчетное устройство.
Жидкостный стеклянный термометр (рис. 4.69, в) имеет стеклянный баллон с капилляром, заполненный термометрической жидкостью. В связи с различием коэффициентов объемного расширения стеклянного баллона с капилляром и термометрической жидкости появляется возможность измерения температуры.
Жидкостный манометрический термометр (рис. 4.69, г) состоит из термобаллона, погружаемого в среду, температура которой подлежит измерению, соединительного металлического капилляра и упругого чувствительного элемента. Вся система заполнена термометрической жидкостью. При повышении температуры жидкость расширяется, что приводит к деформации упругого чувствительного элемента.
Конденсационный манометрический термометр (см. рис. 4.69, г) по конструкции повторяет жидкостный манометрический и отличается только тем, что его термобаллон частично заполняется низкокипящей жидкостью. Давление насыщенных паров над жидкостью, являющееся мерой температуры, преобразуется в перемещение упругого чувствительного элемента.
Газовый термометр рассмотрен в п 4.12.1 (см. рис. 4.68).
4.12.3. Электрические контактные термометры
Термометр сопротивления металлический (рис. 4.70, а) состоит из чувствительного элемента в виде терморезистора, защитного чехла и соединительной головки. Чувствительный элемент металлического термометра сопротивления выполняется в виде обмотки на каркасе из теплостойкого изоляционного материала.
О температуре судят по изменению электрического сопротивления его чувствительного элемента, падению напряжения на нем при постоянном токе или значению тока при постоянном напряжении.