Методы и средства контактных электроизмерений температуры
Примером такого термометра может служить прибор, созданный во ВНИИФТРИ и
имеющий строго постоянный объем, давление в котором, изменяющееся линейно с
температурой, измеряется точным мембранным манометром. Кроме того, в
диапазоне температур от 1 до 5 К используются конденсационные термометры в
основе которых лежит хорошо изученная зависимость давления насыщенных паров
жидких газов от температуры. Точность, достигаемая при измерениях
температуры с помощью конденсационных термометров, весьма велика. Так, при
использовании жидкого гелия погрешность измерения не превышает 0,002 К.
Осуществление градуировки термометров в диапазоне температур от 4 до
10 К производится интерполяцией показаний платинового термометра, для чего
используются угольные терморезисторы изготовленные из специально
обработанного каменного угля. Используя эмпирические зависимости
сопротивления от температуры в области выше 14 К и ниже 4 К и производя
интерполяцию внутри этого диапазона температур, получают выражения,
описывающие • температурную зависимость сопротивления угольных термометров
для температур от 1 до 14 К, которая обеспечивает определение температуры с
погрешностью, не превышающей ±:0,1К. При этом следует иметь в виду, что
угольным терморезисторам свойственна сильная нестабильность, поэтому
градуировку производят перед каждым измерением.
Для измерения сверхнизких температур от 4 до 14 К также применяются
германиевые терморезисторы.
2.2. МЕТОДЫ КОНТАКТНЫХ ЭЛЕКТРОИЗМЕРЕНИЙ
НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР
Термин «низкие температуры» не имеет строго установленного значения.
Обычно в понятие «низкие» включают область температур от 10 до 800 К. Для
измерения таких температур используются металлические и полупроводниковые
терморезисторы, термопары или термобатареи, описание принципов действия,
электрических схем и погрешностей которых было дано в п. 1.
Достаточно точное измерение температур в диапазоне от 4 до 1300 К
может быть основано на зависимости шумового напряжения Uш на резисторе R от
температуры ( Средний квадрат напряжения шума по формуле Найквиста [pic],
где k = 1,38?10-23 Дж/К — постоянная Больцмана; (f —полоса воспринимаемых
частот. Практическая реализация метода заключается в сравнении шумов двух
идентичных резисторов,один из которых находится при известной, а другой —
при измеряемой температуре. Сравнение шумов резисторов осуществляется двумя
методами: либо по величине шумового напряжения (усиленного и
выпрямленного), если уровень шумов достаточно высок, что соответствует
температуре выше 500 К, либо по числу шумовых импульсов — для более низких
гемператур.
В первом случае датчик термометра выполняется из платиновой проволоки
диаметром 2,5 мкм с платиновым экраном толщиной 50 мкм в кварцевой
оболочке. Использование такого термометра позволяет производить достаточно
точные измерения температуры (погрешность измерения ( = 1000 К составляет
1%). Во втором случае датчиком служит резистор типа УЛИ, МЛТ или БЛП, так
как для увеличения уровня шума собственная емкость датчика должна быть
минимальной, ибо она ограничивает частотную полосу шума (f. В практических
конструкциях ее величина не превышает 3 пФ.
На рис. 12 приведена структурная схема импульсного термо-шумового
термометра. Шумовое напряжение на резисторе Rx,находящемся при температуре
(х, включенном во входную цепь предусилителя ПУ, пропускается через
полосовой фильтр Ф, усиливается до уровня 10 В и подается через
дискриминатор Д на частотомер, измеряющий число шумовых импульсов. Шумовое
напряжение от второго резистора Ro, находящегося при известной температуре
[pic]
Рис. 12
?0, подается на ту же измерительную цепь (поочередно с напряжением от
датчика). Переключение каналов производится ключами Кл1 и К.л2 через 25 с.
Если значения сопротивлений резисторов подобраны таким образом, что
R0?0 ? Rх?х, то показания [pic] счетчиков Сч1 и Сч2 частотомера при работе
обоих каналов будут близкими и измеряемую температуру можно найти как ?x =
(Ro/Rx) ?о + ?, где ? = k ([pic]).
Термометры ядерного квадрупольного резонанса (ЯКР) основаны на
взаимодействии градиента электрического поля кристаллической решетки и
квадрупольного электрического момента ядра, вызванного отклонением
распределения заряда ядра от сферической симметрии. Это взаимодействие
обусловливает прецессию ядер, частота которой называется частотой ЯКР,
зависит от градиента электрического поля решетки и для различных веществ
имеет значения от сотен килогерц до тысяч мегагерц. Градиент электрического
поля решетки зависит от температуры, и с повышением температуры ? частота
ЯКР понижается.
Датчик ЯКР-термометра представляет собой ампулу с веществом,
помещенную внутрь катушки индуктивности, включенной в контур LC-генератора.
При совпадении частоты генератора с частотой ЯКР происходит поглощение
энергии от LC-генератора. Для периодического поглощения энергии
электромагнитное поле модулируется напряжением низкой частоты. Полученные
на контуре генератора периодические изменения напряжения подаются на
указатель резонанса и служат сигналом к отсчету частоты генератора
частотомером. В качестве термометрического вещества ЯКР используется
гранулированный КСIO3, очищенный двойной рекристаллизацией, а частота
ЯКРСl35 при 20 °С составляет 28213324 ± 10 Гц. Ширина сигнала ЯКР (полоса
частот, в которой происходит поглощение энергии) порядка 500 Гц.
Погрешность измерения температуры 10 К составляет ±0,02 К, а при 300 К
равна ±0,002 К. Чувствительность в районе 300 К равна 4,8 кГц/К.
Зависимость сигнала ЯКР от внешних магнитных полей требует экранировки
датчика (магнитное поле Земли вызывает расширение резонансного сигнала на
200 Гц).
Достоинством ЯКР-термометра является его не ограниченная во времени
стабильность, так как зависимость частоты от температуры определяется
только молекулярными свойствами вещества и остается неизменной для всех
образцов данного химического вещества. Недостаток ЯКР-термометров — резкая
нелинейность их характеристики, исключающая возможность прямого цифрового
отсчета температуры.
Электроакустический частотно-цифровой термометр основан на зависимости
скорости распространения звука в газах от их температуры. Датчик
электроакустического термометра состоит из цилиндрического резонатора, в
котором возбуждаются продольные акустические колебания. Собственная частота
трубчатого полуволнового резонатора длиной l с учетом ? = сp/сv и ви-
риального коэффициента В, учитывающего отклонение свойств реального газа от
свойств идеального, равна
[pic] (2.1)
где R = 8,314 Дж/(К-моль) — универсальная газовая постоянная; ? —
измеряемая температура; Р — давление; М — молекулярная масса газа.
Конструкция датчика частотно-цифрового акустического термометра,
разработанного в ЛПИ им. М. И. Калинина, приведена на рис. 13. В полости
резонатора l электростатическим возбудителем 2 возбуждаются продольные
акустические колебания, которые принимаются аналогичным по конструкции
приемником 4. Использование электростатических преобразователей позволяет
создать конструкции приемника и возбудителя, работоспособные как при низких
(—100 °С), так и при высоких (+400 °С) температурах, обладающие равномерной
характеристикой чувствительности в диапазонах частот акустических колебаний
от 5 до 15 кГц. Мембраны 3 и 5 соответственно возбудителя 2 и приемника 4
толщиной 4 мкм выполнены из никеля методом электрохимического напыления и
имеют собственную частоту около 30 кГц.
Вывод от электрода приемника акустических колебаний окружен
эквипотенциальным экраном, потенциал которого специальным электронным
устройством непрерывно поддерживается равным потенциалу вывода (см. рис. 12-
12). Резонатор включен в цепь положительной обратной связи усилителя,
образуя генератор, частота которого определяется измеряемой температурой
согласно формуле (23-1). При 20 °С она равна 10 кГц, а при измерении
температуры изменяется на 1,8% на 10 К.
[pic]
Рис. 13
Для обеспечения непосредственного цифрового отсчета измеряемой
температуры в Кельвинах устройство цифрового отсчета работает в два такта и
осуществляет линеаризацию функции преобразования в виде полинома второй
степени:
[pic]
где T1 — длительность первого такта измерения; fo — опорная образцовая
частота; N0 и N1 — постоянные числа, вводимые в измерительное устройство.
Выбор значения и знака этих постоянных позволяет изменять соотношение между
членами, пропорциональными ? и [pic], чем достигается устранение
нелинейности шкалы прибора, вызываемой неравенством нуля вириального
коэффициента В в выражении (2.1) и другими причинами. Погрешность
термометра составляет 0,05 К и менее.
Термометры с кварцевыми резонаторами используются для измерения
температур от 10 до 500 К, но наиболее высокую точность обеспечивают в
области от 193 до 473 К (от —80 до +200 °С). Их принцип действия основан на
зависимости от температуры
| |  скачать работу |
Методы и средства контактных электроизмерений температуры |
