Курсовая работа: Вимірювальні канали контрольно-вимірювальних систем в екології

Вираз е_са (Т)=е_св (Т)-е_ав (Т) дає змогу визначити термо-ЕРС будь-якої термопари при відомих термо-ЕРС інших термопар утворених кожним з термоелектродів з базовим. Для порівняння термоелектричних характеристик матеріалів створена єдина платинова нормаль, щодо якої визначаються термо-ЕРС інших матеріалів[3].

1.2 Терморезистивний перетворювальний елемент

Принцип дії терморезистивних перетворювачів базується на властивості провідників чи напівпровідників змінювати електричний опір при зміні температури. Для перетворень температури використовують матеріали, які мають високу стабільність ТКО, високу відтворюваність електричного опору для даної температури, значний питомий електричний опір і високий ТКО, стабільність хімічних і фізичних властивостей під час нагрівання, інертність до дії досліджуваного середовища.

Зміна опору ∆ R як міра температури реєструється за допомогою мостових схем або схем постійного струму зі стрілковими пристроями при дозволі до 0,001 К, а також за допомогою схем порівняння струмів і логометричних пристроїв або за допомогою числових способів вимірювань. Пристрій з одним датчиком, мостом та двома з’єднувальними проводами зображено на рис. 1.3 (Додаток А). [10]

З провідникових матеріалів широко застосовується платина. Цей благородний метал навіть при високих температурах і окисному середовищі не змінює своїх фізичних і хімічних властивостей. Температурний коефіцієнт опору в діапазоні 0... 100 ⁰ С становить приблизно 1/273 град ^-1 , питомий опір при при 20 ⁰ С дорівнює 0,105 Ом/мм² / м, діапазон перетворювальних температур – –260…+ 1300 ⁰ С. Температурна залежність опору платини в діапазоні 0... 650⁰ С описується рівнянням Календарі:

R_T = R₀ (1+ AT+ BT² ), (1.2.1)

де R_T , R₀ – опори перетворювача при температурі Т і 0⁰ С; А і В сталі коефіцієнти (для платинового дроту, який застосовується в промислових термоперетворювачах температур А = 3,9702* 10^-3 1/К, В = – 5,8893*10^-7 1/ К² ). До недоліків платинових перетворювачів температури належать досить висока забруднюваність платини при високих температурах парами металів (особливо заліза), порівняно невисока хімічна стійкість у відновному середовищі, внаслідок чого вона стає крихкою, втрачає стабільність характеристик.

Мідь, внаслідок низької вартості і досить високої стійкості до корозії, широко застосовують в перетворювачах температури в діапазоні -50...+180⁰ С. Температурний коефіцієнт опору міді:

R_T = R₀ (1 + _T T).(1.2.2)

До недоліків мідних перетворювачів температури належать висока окислюваність під час нагрівання, внаслідок чого вони застосовуються у вказаному, порівняно вузькому діапазоні температур у середовищах з низькою вологістю і при відсутності агресивних газів[4].

Тугоплавкі метали – вольфрам, молібден, тантал і ніобій – застосовуються обмежено. Вплив рекристалізації та росту зерен в результаті дії температури робить чутливий елемент з цих матеріалів крихким і тому дуже чутливим до механічних вібрацій.

Терморезистивні перетворювачі температури, що називають стандартом термоперетворювачами опору (ТО), бувають трьох основних різновидів: з платиновим (ТОП), мідними (ТОМ) та нікелевим (ТОН) чутливим елементами і призначені для перетворення температури в діапазоні -260 ...1100 ⁰ С.

Основними причинами похибок терморезистивних перетворювачів температури є неточність підганяння і відхилення від номінального, а також нестабільність цих параметрів у часі. Перевагами напівпровідникових термоперетворювачів є малі габарити, мала інерційність. Про те вони поступаються провідниковим в точності[5].

1.3 Термомагнітний перетворювальний елемент

Метод заснований на залежності магнітної сприйнятливості парамагнітних речовин або ядерної магнітної сприйнятливості від температури. Відповідно до закону Кюрі – Вейса магнітна сприйнятливість назад пропорційна абсолютній температурі:

х = С/(Т + а + /T), (1.3.1)

де С – коефіцієнт, пропорційний константі Кюрі, індуктивності вимірювальної котушки і факторові заповнення котушки зразком; а – поправка, що залежить від форми зразка, щільності і взаємодії іонів; - поправка, що враховує штарковське розщеплення і диполь-дипольна взаємодія.

При використанні термомагнітного методу вимірюваною величиною є магнітна сприйнятливість парамагнітних солей або ядерна магнітна сприйнятливість металів, наприклад міді або платини. Вимір магнітної сприйнятливості парамагнітних солей звичайно виробляється шляхом виміру індуктивності або взаємної індуктивності котушки із сердечником з термометричної речовини. Перевагами методу є відсутність систематичних погрішностей, властивих газовому й акустичному методам, висока чутливість, що росте зі зниженням температури (при 2 мК поріг чутливості складає 110 ^-4 мК), висока відтворюваність у порівнянні з іншими методами вимірів термодинамічної температури.

Термомагнітний метод в основному застосовується при вимірі температур

10 ^-3 – 4 К. Як термометричну речовину використовуються монокристали нітрату церію-магнію, сульфат амонію-марганцю (1,8 – 4К), нітрат церію-лантану-магнію для температур нижче 2 мК.

Для вимірювання температури в діапазоні 0,001—0,3 К в якості термометричної речовини використовуються метали (мідь, платина), для яких методом ЯМР визначається залежність ядерної магнітної сприйнятливості від абсолютної температури Т:

= Ng² I(I+1)/(3kT) (1.3.2)

де N — число ядер в одиниці об'єму; g — фактор магнітного розщеплення (g-фактор); — ядерний магнетон; I— спин ядра; k — постійна Больцмана.

Значення к_я визначаються по сигналі ЯМР, амплітуда якого лінійно залежить від ядерної магнітної сприйнятливості і, отже, від 1/Т, оскільки усі величини у рівнянні, крім х_я і Т, є фізичними константами [6].

1.4 Термочастотний перетворювальний елемент

Вимірювання температури термочастотними методами засновано на використанні залежності від температури частоти власних коливань різного роду резонаторів, швидкості поширення звукових і ультразвукових коливань з терморезистором. Найбільш розвинуті резонансні термочастотні методи, засновані на застосуванні резонансних датчиків, що являють собою автогенератори або генератори зі змушеними коливаннями, частота яких настроюється в резонанс із частотою власних коливань резонатора, що змінюється з температурою[8].

Для виміру температури застосовуються механічні (твердотільні), газові і ядерні резонатори. Характеристика перетворення температури в частоту в таких резонаторів нелінійна. Рівняння перетворення термометрів з резонаторними перетворювачами на робочій ділянці характеристики можна представити у вигляді полінома:

f= f₀ , (1.4.1)

де коефіцієнти и у вибираються в залежності від виду і характеристик резонаторів. При використанні кварцових резонаторів похибка лінійності досить незначна. В інших випадках для лінеаризації характеристики приладу необхідні додаткові пристрої з функціональними перетворювачами. Розвиток мікропроцесорної техніки дозволяє створювати точні частотні термометри з похибкою лінійності не більш 10^-5 .

1.5 Пірометричний перетворювальний елемент

Пірометричні методи вимірювання температури охоплюють широкий діапазон температур – від 173 до 6000 К, що включає в себе низькі, середні і високі температури. Ці методи засновані на визначенні параметрів теплового випромінювання об'єкта без порушення його температурного поля. Теплове випромінювання являє собою електромагнітне випромінювання, порушуване тепловим рухом атомів і молекул у твердих, рідких і газоподібних речовинах. При температурах вище 4000 К випромінювання викликається процесами дисоціації й іонізації[9].

Частіше застосовуються пірометри порівняння, в яких густина випромінювання об’єкта вимірювань порівнюється з випромінюванням еталону в видимій частині спектру. Спектральний пірометр (пірометр порівняння) зображений на рис. 1.4 (Додаток А). [10]

Теорія пірометричних методів вимірювання температури заснована на законах, що встановлюють зв'язок між випромінюванням абсолютно чорного тіла (АЧТ) і його температурою. Абсолютно чорним тілом називається тіло, що поглинає все падаюче на нього випромінювання і відповідно здатне при даній температурі випромінювати максимальну енергію. Добрим наближенням до АЧТ є закрита з усіх боків порожнина з малим отвором, площа якого мала в порівнянні з загальною поверхнею порожнини.