Тема 6. Термометрія за допомогою термоелектричних

перетворювачів

Вимірювальні кола термоелектричних термометрів

Найпростіше вимірювальне коло термометра з

термоелектричним перетворювачем зображене на рис. 6.1,а.

Рис.6.1. Вимірювальні кола термоелектричних термометрів

^{За умови, що температура T}0 ^{вільних кінців термопари буде}

незмінною і опір всього вимірювального кола також незмінним,

покази мілівольтметра будуть визначатись значенням

^{вимірюваної температури T}x ^.

Для зменшення залежності показів приладу від опору

вимірювального кола намагаються дотриматись умови

^Rmv ^ RT ^ 2Rл ^{. (6.1)}

Із рис. 6.1, а випливає, що

^Umv ^ Imv ^Rmv ^

^eT

^Rmv  ^2Rл  ^RT

^Rmv ^{.         (6.2)}

В цьому випадку, з урахуванням (6.1) матимемо

^Umv ^ et ^.

62

^ M ^{ T}

^R   2Rл

^{Похибка } M ^{, яка вноситься зовнішнім (щодо вольтметра)}

опором вимірювального кола, буде:

100% . (6.3)

^Rmv

Наприклад, якщо опір мілівольтметра становить 300 Ом, то

^{для отримання похибки } M ^{ 1% опір R}T ^ 2Rл ^{не повинен}

перевищувати 3 Ом.

Потрібно також відзначити, що, оскільки функція

перетворення термоелектричного перетворювача загалом

нелінійна, то для переведення показів мілівольтметра у значення

вимірюваної температури необхідно користуватись

градуювальною таблицею термоелектричного перетворювача.

Якщо мілівольтметр є складовою частиною термометра і його

шкала проградуйована в одиницях вимірюваної температури, то

нелінійність функції перетворення термоперетворювача буде

врахована в характері шкали приладу, яка відповідно, також

буде нелінійною. Для такого приладу вже немає необхідності,

щоб витримувалась умова (6.1).

Обов’язковою умовою, якої необхідно дотримуватись при

^{вимірюванні такими приладами, є забезпечення опору R}сум

всього вимірювального кола приладу його градуювальному

^{значенню, тобто такому значенню R}град ^{, при якому градуювався}

прилад. Для підганяння опору кола використовується

^{підганяльна котушка R}під ^{(рис.6.1,б).}

У цьому випадку опір зовнішнього кола не буде причиною

похибки. Виникнення похибок буде зумовлюватись лише

відхиленням сумарного опору від градуювального значення і

спричинятись, наприклад, зміною опору лінії внаслідок зміни

температури довкілля. При цьому

^ M ^{ сум}

^R − ^Rград

^Rград

100% .                 (6.4)

Причиною похибок вимірювання температури може бути

також невідповідність температури вільних кінців

63

термоперетворювача градуювальному значенню. Градуювальні

характеристики термоелектричних перетворювачів складені для

певної температури вільних кінців, звичайно 0⁰ C . Якщо

температура вільних кінців не дорівнює градуювальній, то

необхідно вводити поправку на зміну термо-ЕРС відносно

градуювального значення.

Одним з способів усунення похибки від зміни температури

вільних кінців є їх термостатування. Оскільки термостатувати

головку термоелектричного перетворювача, де закінчуються

термоелектроди (їх вільні кінці), практично не є можливим, то

необхідно продовжити електроди термоелектричного

перетворювача, не спотворюючи його термо-ЕРС з тим, щоб

відвести вільні кінці в таке місце, де буде зручно їх

термостатувати. Здовжуючі термоелектродні дроти ЗТЕ (рис.

6.1,б) не є з тих же дорогих металів, що і основні

термоелектроди. Проте вони повинні бути термоелектрично

ідентичними з відповідними електродами основної термопари,

щоб усунути виникнення паразитних термо-ЕРС.

У промислових умовах для введення корекції від зміни

температури вільних кінців на покази приладу звичайно

використовують пристрої автоматичного введення поправок.

Таким пристроєм може бути мостове коло (рис. 6.1,в), яке

^{складається з температуронезалежних манганінових опорів R}1 ^,

^R2 ^і R3 ^{і опору R}4 ^{з міді чи нікелю, який змінює свій опір}

залежно від температури. Якщо температура термозалежного

резистора, як і температура вільних кінців термопари, буде

дорівнювати наприклад 0⁰ C , то міст повинен знаходитись у

рівновазі. При відхиленні цієї температури від 0⁰ C , викликана

цією зміною температури зміна термо-ЕРС термопари буде

компенсовуватись напругою розбалансування моста,

^{викликаною зміною опору R}4 ^.

Для термоелектричного термометра за схемою рис. 6.1,в

напруга U , що надходить на вхід вимірювального приладу

^U  eT ^ e3T ^ UCK ^{, (6.5)}

64

^де eT ^{- термо-ЕРС термопари; e}3T ^{- паразитна термо ЕРС від}

неповної термоідентичності матеріалів ЗТЕ та основних

^{термоелектродів; U}CK ^{- вихідна напруга розбалансу мостової}

схеми компенсації CK.

Відповідно похибка такого термоелектричного термометра

^{∆t  ∆}TП ^ ∆3T ^ ∆CK ^ ∆ВП ^{, (6.6)}

^де ∆ТП ^{- похибка термоперетворювача; ∆}3T ^ e3T ^{- похибка від}

^{неповної термоідентичності; ∆}CK ^{- похибка схеми компенсації;}

^∆ВП ^{- похибка вимірювального приладу.}

^{Зауважимо, що похибки ∆}3T ^та ∆CK ^{є співрозмірними з}

^{похибкою ∆}ТП ^{, а в сумі з ∆}ТП ^{сягають значень значно більших}

^{за похибку сучасного вимірювального приладу. Похибка ∆}ТП

термоперетворювача могла би бути зменшена лише

конструктивно-технологічними методами, які практично

вичерпали свій резерв щодо такої можливості. Тому при

проектуванні таких термометрів, в першу чергу, слід подбати

про зменшення похибки від неповної термоідентичності та

похибки схеми компенсації.

В цифрових термометрах похибка від зміни температури

вільних кінців може бути повністю усунена вимірюванням

температури вільних кінців і автоматичного внесення

відповідних поправок.

Автоматичні потенціометри для вимірювання температури

На рис. 6.2 наведено схему автоматичного потенціометра,

який призначений для вимірювань температури за допомогою

термоелектричного перетворювача.

65

Рис. 6.2. Схема автоматичного потенціометра для вимірювань

температури

Прилад працює так. Термо-ЕРС

^eT

термоелектричного

перетворювача зрівноважується вихідною напругою

^U АБ

^{потенціометра, виконаного за мостовою схемою. Якщо U} АБ ^≠ eT ^,

^{то напруга недокомпенсації} ∆U ^{після попереднього}

перетворення і підсилення подається на вхід реверсивного

двигуна, який переміщає повзунок реохорда до моменту повної

компенсації напруг. Разом з переміщенням повзунка

переміщується стрілка приладу, який проградуйований в

одиницях вимірюваної температури. Для стабілізації робочого

струму потенціометра використовується стабілізоване джерело

живлення, яке забезпечує постійність робочого струму з

похибкою не більше ніж 0,02 %.

Для автоматичного введення поправок на температуру

вільних кінців термоперетворювача в одне з плеч моста

ввімкнений термозалежний опір із міді (всі інші опори -

термонезалежні манганінові). Термоперетворювач

підключається до потенціометра за допомогою здовжуючих

термоелектродних проводів. Забезпечується приблизна рівність

температури вільних кінців термоперетворювача і температури

^{резистора R}M ^{. Значення опору R}M ^{вибрано так, щоб зміна спаду}

^{напруги} ∆U ^{на ньому при зміні температури на} ∆t ^град

66

відповідала зміні термо-ЕРС термоперетворювача при такій же

зміні температури його вільних кінців, тобто виконувалась

рівність

^I2^RMO^T ^{∆t  ∆e}T ^{, (6.7)}

^де I2 ^{- струм верхньої гілки мостового кола потенціометра; }T ^-

^{температурний коефіцієнт опору міді; R}MO ^{- опір мідного}

резистора при

0⁰ C ;

^∆eT

-    зміна   термо-ЕРС

термоперетворювача, яка викликана відхиленням температури

^{вільних кінців на} ∆t ^{град від 00 C .}

^{Потрібно, проте, зауважити, що оскільки ∆e}T ^{навіть в}

обмеженому температурному діапазоні не є лінійною функцією

^{від ∆t , то при лінійній залежності ∆U}k ^ I2 ^RMO ^{1 ∆t}  ^повна

корекція впливу температури вільних кінців можлива лише для

^{одного значення} ∆t ^{. При інших значеннях буде спостерігатись}

деяка незначна недокомпенсація, однак в нормальній області

зміни температури довкілля похибкою від недокомпенсації

можна знехтувати.

Цифрові вимірювачі температури (ЦВТ) складаються з двох

частин – аналогової та цифрової (рис. 6.3).

Аналогова частина ЦВТ містить перемикач полярності П,

масштабний підсилювач МП, перетворювач напруги в інтервал

^{часу ПНЧ, блок опорної напруги E}0 ^{та блок керування}

аналоговою частиною БКА. Ця частина екранована та

гальванічно розділена з його цифровою частиною з допомогою

блока гальванічного розділення БГР. Цифрова частина

складається з блока керування БК, блока корекції адитивної

похибки БАП, блока цифрової лінеаризації БЦЛ та блока

відображення інформації БВІ.

67

^N X ^ 2Tf0^KП ^KЦЛ ^T

^e   UCK

Рис. 6.3. Структурна схема ЦВТ з термоелектричним перетворювачем

Результат вимірювання визначається з аналітичного виразу

, (6.8)

^E0

^{де T - тривалість часу інтегрування вхідної напруги; f}0 ^-

опорна частота;

^KП

- коефіцієнт передачі масштабного

^{підсилювача МП; E}0 ^{- опорна напруга АЦП; K}ЦЛ ^{- коефіцієнт}

^{перетворення блока цифрової лінеаризації; U}CK

- вихідна

напруга розбалансу мостової схеми компенсації СК.

Деякі аспекти нових напрямків термометрії

Т ерм о ш ум о в и й мето д вимірювань температури

грунтується на рівнянні Найквіста, яке встановлює зв'язок між

напругою теплових шумів, що виникають в резисторі, і його

термодинамічною температурою:

^Uс.кв ^{ 4kTR∆f ,}

^де Uс.кв ^{- середнє квадратичне значення шумової напруги; k -}

стала Больцмана, що дорівнює 1.38⋅10⁻²³ Дж / К ; R - опір

резистора;

∆f

-  смуга частот, в котрій виконуються

вимірювання.

Термошумовий метод можна використовувати для

вимірювань температури в діапазоні від 0,001 К до 2000...2500

68

Довжина хвиль (мкм)	Назва піддіапазона
0,76 – 1,5	Ближнє інфрачервоне випромінювання
1,5 – 5,5	Короткохвильове інфрачервоне випромінювання
5,6 - 25	Довгохвильове інфрачервоне випромінювання
25 - 100	Дальнє інфрачервоне випромінювання

К. Як вимірювальні перетворювачі використовують

безреактивні резистори з платини, манганіну, константану,

вольфраму, графіту, а також недротяні резистори.

Складність реалізації термошумового методу полягає в

низькому рівні корисного сигналу, який складає частки чи

одиниці мікровольт. Основними факторами, що обмежують

точність термошумового методу, є залежність опору резистора

від температури, власні шуми вимірювального каналу, завади в

лінії.

Термо часто тний м ето д вимірювань температури

заснований на використанні залежності від температури частоти

власних коливань різного роду резонаторів, параметрів RC -

або RL - ланок з терморезисторами, швидкості розповсюдження

звукових та ультразвукових коливань.

З термочастотних найпоширенішими є методи, засновані на

застосуванні резонаторних сенсорів, які є автогенераторами або

генераторами з вимушеними коливаннями, чатота яких

настроюється в резонанс з частотою власних коливань

резонатора, що змінюється з температурою.

Тепловізори. Теплобачення – це напрямок в технічних

вимірюваннях, що вивчає фізичні основи, методи та прилади, які

забезпечують можливість спостереження слабонагрітих

об’єктів. Прилади, що працюють у цьому напрямку називаються

тепловізорами (термографи). Тепловізори відносяться до

оптикоелектронних приладів пасивного типу, що працюють в

інфрачервоному діапазоні спектру вимірювання.

Діапазон інфрачервоного випромінювання поділяється на

кілька піддіапазонів.

Таблиця 6.1

69

Принцип їх дії грунтується на перетворенні інфрачервоного

випромінювання в електричний сигнал, який піддається

підсиленню і автоматичній обробці, а потім перетворенню у

видиме зображення теплового поля об’єкта (термограми) для

його візуальної і кількісної оцінки.

Загальний принцип пристрою тепловізора представлений на

рис.6.4.

Рис. 6.4. Структурна схема тепловізора:

1 – лінза; 2 – фотоприймач; 3 – електричний підсилювач; 4 –

мікропроцесор; 5 – блок відображення інформації

Інфрачервоне випромінювання концентрується системою

спеціальних лінз 1 і потрапляє на фотоприймач 2, який

вибірково чутливий до певної довжини хвилі інфрачервоного

спектру. Потрапляючи на нього випромінювання призводить до

зміни електричних властивостей фотоприймача, реєструється і

посилюється електронним підсилювачем 3. Отриманий сигнал

піддається цифровій обробці в мікропроцесорному блоці 4 і це

значеня передається на блок відображення інформації 5, що

представляє собою екран рідкокристалічного дисплею. Блок

відображення інформації має кольорову палітру, в якій кожному

значенню сигналу присвоюється певний колір. Після цього на

екрані монітора з’являється точка, колір якої відповідає

чисельному значенню інфрачервоного випромінювання, яке

потрапило на фотоприймач. Скануюча система (дзеркала або

напівпровідникова матриця) проводить послідовний обхід усіх

точок у межах поля зору приладу, в результаті виходить видима

картина інфрачервоного випромінювання об’єкта. Чутливість

детектора до теплового випромінювання тим вище, чим нижче

його власна температура, тому його поміщають у спеціальний

70

термостатуючий холодильний пристрій. Один із способів

охолодження здійснюється за допомогою елементів Пельтьє

(напівпровідники, що дають перепад температур (тепловий

насос) при пропусканні через них струму).

Таким чином, на екрані тепловізора видно значення

потужності інфрачервоного випромінювання в кожній точці

поля зору тепловізора, відображені відповідно до заданої

палітри кольорів (чорно-білої або кольорової).

Висока чутливість тепловізорів реалізується завдяки

наявності високочутливих напівпровідникових приймачів

випромінювання з антимоніду індію InSb , ртуть-кадмій-телуру

Hg − Cd − Te тощо.

71