Теоретическая часть

Измерение температуры является наиболее массовым видом измере­ния. В повседневной практике используются миллионы термометров различных типов на различные диапазоны измерения температуры. Услов­но по диапазонам термометры можно разделить на следующие группы:

1. Термометры для измерения комнатных температур. Сюда же можно отнести приборы для климатических измерений поскольку послед­ние принципиально не отличаются от чисто комнатных термометров. Со­ответственно, диапазон измеряемых температур составляет от – 50 до – 40 о С до температуры кипения воды + 100 о С.
2. Термометры для измерения низких (криогенных) температур. Та­кие приборы работают по особым принципам, включая эффекты сверхпро­водимости. Реально криогенные температуры составляют от близких к нулю до температур, при которых замерзают ртуть и спирт. В этом случае климатические термометры становятся непригодными для измерений.
3. Термометры для измерения высоких температур, реально работают в диапазоне от несколько сот градусов Цельсия до температуры плавлени­я золота 1064,18 о С. Чаще всего для измерения таких температур использу­ют термопары и термометры сопротивления.
4. Термометры для измерения температур, при которых объекты становятся самосветящимися, т.е. излучают видимый человеческим гла­зом свет. Такие приборы называют пирометрами, что происходит от слова “пиро” – огонь. Их используют для измерения температур раскалённых объектов, пламени или плазмы. Глаз человека видит температурное излучение, начиная с температуры в 800 – 900 о С, когда излучение объектов видно как темно-вишневое.
5. Для измерения температур в тысячи, десятки и сотни тысяч градусов используют специальные спектроскопические методы измерения температур, в которых последняя определяется по интенсивности спектральных линий атомов и ионов, из которых состоит объект. Такое состояние называется плазмой, а методы измерения температуры плазмы называются методами диагностики. Таким же способом определяют температуру небесных самосветящихся объектов – звёзд.

По реализации методов измерения температуры различают следующие методы, когда термометр приводится в непосредственный контакт с телом, температура которого измеряется, и неконтактные методы, когда источником информации о температуре объекта служит светимость, яркость или цвет объекта.

Контактные термометры для измерения комнатных и средних температур можно разделить на следующие типы:

• Волюметрические приборы, в которых информация о температуре, получается, по изменению объема термометрической жидкости или газа. Это наиболее распространённый тип термометра, хорошо знакомый каждому.
• Дилатометрические термометры, в которых температура измеряется по линейному расширению тел. Наиболее массовыми термометрами такого типа являются биметаллические пластины, представляющие собой две полоски из металлов с разными коэффициентами темпера­турного расширения, соединёнными (спаянными) по всей длине (Рис.1).

Биметаллическая пластина – датчик температуры

Биметаллические датчики температуры очень удобны для автомати­ческих регулирующих устройств и широко используются в различных терморегуляторах.

Термопары как датчики температуры. В этих термометрах о температуре судят по ЭДС, возникающей в цепи, состоящей из двух различных проводников, спаянных по концам. Если спаи поддерживать при разных температурах, в цепи (рис. 2) возникает ток, пропорциональ­ный разности температур спаев.

Дифференциальная термопара.

Термосопротивления – датчики температуры в виде металлической про­волоки, изменяющей электрическое сопротивление при изменении темпе­ратуры. Зависимость сопротивления от температуры имеет вид:

где R T - сопротивление при температуре T­ 1 . R 0 – сопротивление при 0 0 C, a - температурный коэффициент положительный для металлов и отрица­тельный для графита.

Термометры для измерения низких температур, равно как пиромет­ры и методы диагностики плазмы имеют целый ряд особенностей, сущ­ность которых выходит за пределы поставленной конкретной задачи. Же­лающие могут ознакомиться с этим более подробно в специальной лите­ратуре.

Для понимания сущности поставленной в работе задачи следует подробно остановиться на точностных возможностях контактных термо­метров.

Наиболее точными из всех типов контактных термометров являются термопары сопротивления. Электрическое сопротивление некоторых метал­лов, например платины или родия очень стабильны во времени. Это даёт возможность отградуировать терморезистор с уверенностью, что его сопротивление при заданной температуре остаётся постоянным практиче­ски в течении всего срока службы термометра. Платиновые термометры сопротивления в измерительной и метрологической практике являются средством передачи размера единицы температуры от эталонов к рабочим средствам измерения, т.е. чаще всего используются как образцо­вые средства измерения.

Следующими по точности измерения температуры являются некото­рые типы термопар. Например, термопара, изготовленная из платины (один из электродов) и сплав платины с 10% родия или с 15% родия (вто­рой элемент термопары) имеет температурную зависимость ЭДС для раз­личных экземпляров, воспроизводящуюся в 4 – 5 знаках. Такая точность гарантированна независимо от размеров термопары, от толщины электро­дов, от технологии изготовления проволоки и т.д.

Другие типы термопар, например, хромель – алюминий, хромель - …. медь – константан, железо константан и т.д. имеют большие абсолютные значения термо ЭДС, но нуждаются в индивидуальной калибровке, по­скольку свойства таких термопар индивидуальны для каждого датчика.

Волюметрические термометры как правило позволяют измерять температуру с погрешностью 0,1 – 0,05 0 С, т.е. гарантируют точность в 1 – 2 знаках после запятой. По этой причине волюметрические приборы ис­пользуются в большинстве своём в рутинных повседневных измерениях, когда указанная точность является достаточной. Это имеет место при из­мерениях температуры в помещениях, на улице, при контроле технологи­ческих процессов и т.д.

Дилатометрические термометры имеют погрешности измерений на уровне 1 – 2 0 С и по этой причине используются в измерениях, не требую­щих большой точности. Если речь идёт о регулировании температуры в морозильных камерах, в системах охлаждения двигателей, при нагрева­нии воды и в других аналогичных задачах, то дилатометрические термо­метры оказываются наиболее предпочтительными ввиду их высокой ме­ханической прочности, долговечности, надёжности. Эти качества являют­ся причиной того, что дилатометрические термометры или дилатометри­ческие датчики установлены во многих системах автоматического регули­рования температуры - в холодильниках, в автомобилях, в машинах и механизмах, когда требуется информация о температуре.

Завершая краткий обзор контактных методов измерения температу­ры, напомним основные метрологические категории в любом виде изме­рений. Начнём с определений:

• эталоном . исходным образцовым средством измерения, устанговкой высшей точности в зависимости от метрологического статуса назы­вается средство измерения, позволяющее воспроизводить единицу физической величины и (или) измерять её с наивысшей возможной точностью
• образцовым средством измерения называют средство измерения, пред­назначенное для поверки рабочих средств измерения. Образцовым средством измерения может служить один из рабочих приборов с более точно в сравнении с последними определёнными метрологиче­скими характеристиками.
• рабочие приборы – измерительные устройства, непосредственно исполь­зуемые в измерительных процедурах
• меры – средства измерения, предназначенные для хранения и передачи размера физической величины. Меры используют для передачи размера единицы от эталонов к образцовым средствам измерений или от образцовых средств к рабочим.

Процесс передачи размера единицы может осуществляться с использо­ванием образцовой меры или сравнением (компарированием) показаний рабочего прибора с показаниями образцового прибора. Калиб­ровка и градуировка термометров может также осуществляться:

1. По стандартным справочным данным, например об ЭДС термопар или табличных значений сопротивлений образцовых термометров.
2. По реперным температурным точкам, т.е. по стандартным значе­ниям температур фазовых переходов – кипения, отвердевания, плавления, чистых веществ. Всего в температурной шкале МПТШ – 90, действующей в системе СИ в настоящее время, содержится 27 значений температур в диапазоне от –259,346 0 С до 33,83 0 С. Среди этих значений 14 реперных точек считаются основными, т.е. имеют погрешность во 2 – 3 знаках по­сле запятой. Остальные 13 реперных точек имеют погрешность в десятые доли градуса 0 С и выше.

Цель работы и описание измерительной установки

Целью данной работы являются ознакомление с метрологическими аспектами температурных измерений – с процедурой передачи размера единицы термодинамической температуры от образцового термометра к рабочему прибору. В качестве образцового средства измерения выбран платиновый термометр сопротивления, аттестованный с погрешностью 0,05 0 С. Рабочим средством измерения служит термосопротивление, предназначенное для использования в термометрах с погрешностью из­мерения 0,1 0 С. Методом передачи размера единицы служит компарирова­ние – сравнение измерительного сигнала с платинового тер­морезистора с терморезистором из меди.

Другой целью работы является калибровка рабочего терморезистора и определения для него температурного коэффициента l в формуле 1.

В качестве исходной информации используется паспортное значение сопротивления платинового датчика температуры в диапазоне от –50 0 С до 200 0 С. Эти данные приведены в таблице 1 и изображены на графике на рис. 3.

Сопротивление платинового датчика температуры в диапазоне – 50 0 С - +200 0 С. Паспортные данные.

NTC (терморезисторы с отрицательным температурным коэффициентом) и PTC (терморезисторы с положительным температурным коэффициентом) являются термозависимыми резисторами. Чтобы измерить сопротивление, его включают последовательно с обычным резистором и измеряют падение напряжения на нем. Пример схемы подключения находится здесь.

Микросхема, выдающая 10мВ на каждый градус Кельвина. Доступна в различных исполнениях. Примеры схем подключения приведены в даташите; схема работы с компаратором (вместо "правильного" АЦП) находится здесь.

Точность 1 градус (при 25°C) даже без калибровки

в случае длинных соединительных проводов наводится слишком много пульсаций

Микросхема, подобная LM335, с той разницей, что ток, протекающий через микросхему, пропорционален температуре. С помощью "схемы" (два сопротивления) из даташита можно изменить ток таким образом, что на каждый градус Кельвина будет выдаваться 1 мВ. Так как преобразование тока/напряжения происходит на плате (и следовательно, вблици от АЦП) и измерение производится с помощью тока, то помехи из-за пульсаций в сети значительно меньше, чем в случае LM335

точность 1° (при 25°C) даже без калибровки

относительно низкая цена (Reichelt 0,90 EUR)

необходим АЦП

DS1621 - это температурный сенсор, объединенный с АЦП. Он передает результаты измерений по шине I2C. Схема электронного термометра с использованием этой микросхемы находится здесь.

Преимущества:

уже откалиброван

не нужен АЦП

так как I2C является шиной, с помощью всего двух портов ввода-вывода можно подключить и использовать несколько DS1621 и других I2C-микросхем

LM75 подобна DS1621, но доступна только в SMD-корпусе и имеет более низкую точность. Однако, его чаще можно увидеть на системных платах ПК, так что при разборке старой машины можно бесплатно получить термосенсор в свое распоряжение. Схема подключения находится здесь.

относительно дорогой (Reichelt 5,45 EUR)

SHT11 - это сенсор температуры и влажности от Sensirion .

Как определить тип датчика температуры SKS Sensors®?

Тип датчика температуры SKS Sensors® представлен набором символов - кодом. Код для каждого типа датчика указан в документации по продукции, см. информацию по отдельным типам от 1 до 22 в разделе Продукция > Датчики температуры .

Создайте свой код продукта SKS Sensors ® с инструментом подбора продукции

Вы можете создать пошагово правильный код продукта для вашего применения, выбирая последовательно свойства и указывая основные данные по размерам в соответствующие поля инструмента подбора продукции.

Если вам требуется помощь в переводе старого типа датчика на новый, просим обращаться к вашему дилеру датчиков SKS Sensors ® .

Датчики температуры часто устанавливаются на объекты таким образом, что их демонтаж практически невозможен или вызывает большие трудности. В то же время необходимо иметь уверенность в точности их показаний. Для таких случаев разрабатываются методики контроля работоспособности датчиков в процессе их эксплуатации без демонтажа. Кроме того от периодической поверки иногда приходится отказываться по причине дороговизны самой поверки по сравнению со стоимостью датчика. В публикациях по этой теме и в проспектах фирм-производителей описаны несколько подходов в решению проблемы надежности датчиков температуры.

1) Проводится статистический анализ дрейфа характеристик датчиков конкретного типа при рабочих температурах, и устанавливается срок их эксплуатации, в течение которого точность находится в пределах заданных допусков с большой вероятностью. После истечения этого срока все датчики подлежат обязательной замене.

2) На объект устанавливается избыточное количество датчиков. Результат определяется либо по среднему арифметическому из их показаний либо разрабатывается более сложная схема анализа, включающая сравнение дрейфов датчиков и выявление датчиков, показывающих дрейф выше среднего. Распространенной моделью являются датчики с двумя и тремя чувствительными элементами в одном корпусе.

3) На объект устанавливаются датчики разных типов (например, термометры сопротивления и термопары). Это позволяет избежать ошибок, связанных с одинаковым влиянием температурных режимов и условий на датчики одного типа. В США был запатентован само-поверяемый термометр, совмещающий в себе свойства чувствительного элемента сопротивления и термопары.

4) Иногда каналы для размещения датчиков конструируются так, что предусматривается возможность ввода рядом с рабочим датчиком образцового термометра во время поверки и вывода его по окончании поверки. Методы бездемонтажной поверки важны на опасных объектах, таких, например, как активная зона реактора. К сожалению, никаких стандартов по методикам бездемонтажной проверки и контроля работоспособности датчиков нет. Однако, проблема очень часто затрагивается на международных семинарах и конференциях.

Одним из решений проблемы поверки термопар во время эксплуатации без демонтажа с объекта, является метод использования термопар с дополнительным каналом, в который устанавливается на время поверки эталонная термопара. Такую конструкцию термопары и методику ее поверки запатентовало в 2007 г. ООО «ПК «ТЕСЕЙ» (патент на изобретение 2299408). В качестве эталонного средства измерения используется тонкая кабельная термопара типа ТНН (нихросил-нисил) 3 разряда.

Термопара ТНН вводится в дополнительный канал основной термопары только на непродолжительное время - время поверки, поэтому образование термоэлектрической неоднородности в термоэлектродах маловероятно. Подробнее об этом методе можно прочитать в разделе «Публикации» .

Аналогичные конструкции термометров и термопар для бездемонтажной поверки в условиях АЭС с дополнительными каналами для эталонных датчиков производятся в ЗАО НПК «Эталон» (г. Волгодонск).

Следующий материал раздела мы нашли на конференции ТЕМПМЕКО 2010. Там был представлен интересный доклад от немецкой фирмы Electrotherm о термопарах со встроенной реперной точкой плавления металла, позволяющей делать точную периодическую поверку термопар. С разрешения фирмы публикуем краткую информацию об устройстве термопары. (Российские компании, изготавливающие аналогичные установки приглашаем прислать свой материал для публикации на сайте)

Термопара со встроенной реперной точкой

Термопара со встроенной реперной точкой (разработана и выпускается фирмой Electrotherm, Германия) сайт фирмы www.electrotherm.de

Главным элементом данной измерительной системы является термопара со встроенной ячейкой реперной точки и миниатюрным нагревательным элементом. Ячейка реперной точки содержит вещество высокой чистоты (чистый металл или эвтектический сплав). Когда температура среды медленно повышается до значения, превышающего температуру плавления металла, на кривой, отслеживающей сигнал термопары, наблюдается воспроизводимая «площадка» с постоянной ТЭДС, так называемая «площадка плавления». Во время этой площадки происходит фазовый переход, т.е. тепло, поступающее извне, идет на разрушение кристаллической решетки металла, рост температуры останавливается. Регистрируемое значение ТЭДС может использоваться для градуировки термопары при известной температуре фазового перехода. При снижении температуры можно наблюдать «площадку затвердевания».

Нагрев термопары для калибровки может быть также осуществлен без разогрева объекта, с помощью миниатюрного встроенного нагревателя.

В таблице приведены данные о реперных точках для градуировки термопар.

Каждая термопара со встроенной реперной точкой снабжена трансмиттером, сигнал с которого поступает на компьютер и обрабатывается с помощью специального программного обеспечения. Компьютер управляет всем циклом нагрева, калибровки и анализа данных. Он может соединяться сразу с 8 измерительными модулями и также связываться посредством сетевых карт с центральным управляющим компьютером.

Декабрь 2012

Датчики имеют критически важное значение для правильного управления процессами, что зачастую не учитывается при модернизации существующих систем. Точность датчиков должна быть тщательно проверена, иначе всякая модернизация теряет смысл.

Многие производители оборудования обещают простое, как «дважды два», включение заменяемых модулей системы, которые не требуют замены существующих сетей, проводки, системных корпусов и источников питания, и при этом сокращение времени простоя с недель и месяцев до «дня и меньше».

Эффективность датчиков

На самом деле все обстоит немного по-другому. Обновление систем для достижения более высокого уровня управления предприятием при помощи компьютеров и программного обеспечения, без оценки эффективности датчиков, которые снабжают эти системы данными, является бесполезным занятием. Чтобы правильно воспринимать и передавать данные технологических параметров, датчики должны быть точными.

Датчики давления

Точность датчиков давления, составляет, как правило, от 0,25% диапазона измеряемого давления. Для сценариев применения с менее строгими требованиями, точность может быть примерно в районе 1,25% диапазона.

Точность датчика давления зависит от того, насколько хорошо датчик откалиброван и как долго он может сохранять эту калибровку. Первоначальная калибровка промышленных датчиков давления на калибровочной станции достигается путем применения постоянного источника давления, например, дедвейт тестера. После того, как датчик давления установлен, его точность может быть оценена с учетом влияния на первоначальную точность калибровки воздействия окружающей среды, воздействия статического давления и др.

Автоматизированные системы калибровки работают с помощью программируемого источника давления для производства заданных сигналов давления, применяемых к датчику, который должен быть откалиброван. Вначале записываются показания датчика до калибровки. Далее датчик тестируется с увеличением и уменьшением входных сигналов для учета любого появления эффекта гистерезиса. Затем система сравнивает полученные данные с критериями приемлемости калибровки для датчиков давления и автоматически определяет, должен ли датчик быть откалиброван. Если это так, система обеспечивает необходимые сигналы к датчику, чтобы откалибровать его и держит входное значение постоянным на протяжении промежутка, пока вносятся корректировки, и низшее давление, на котором он должен быть откалиброван. После этого система выдает отчет, который включает в себя данные до и после калибровки и сохраняет их для анализа тенденций и обнаружения зарождающегося отказа.

Датчики температуры

Типичный вид промышленных датчиков температуры, термометр сопротивления (ТС), как правило, не достигает точности более 0,05 - 0,12°C при 300°C, при этом, обычно, требуется обеспечить точность более чем 0,1°С при 400°C. Процесс установки термометров сопротивления также может приводить к дополнительным ошибкам в точности. Другой распространенный вид датчика температуры, термопара, как правило, не может обеспечить точность лучше, чем 0,5°C при температурах до 400°C. Чем выше температура, тем меньшую точность термопары обычно можно достичь.

Калибровка термометров сопротивления

Точность датчика температуры устанавливается путем калибровки, сравнивая его показания с универсальной калибровочной таблицей или индивидуальной калибровкой в высокоточной среде. ТС, в отличие от термопары, могут быть «очищены» и перекалиброваны после установки. Промышленные датчики температуры, как правило, калибруются в резервуарах со льдом, водой, маслом или песком, а также в печи, или путем комбинирования этих методов. Тип калибровочного резервуара зависит от выбранного температурного диапазона, требований к точности и от применения датчиков. Процесс калибровки обычно включает в себя измерение температуры калибровочного резервуара с использованием стандартного термометра. Для индивидуально калиброванных ТС, точность обеспечивает процесс калибровки, который в свою очередь зависит от точности оборудования, используемого для калибровки, а также ошибок, таких как гистерезис, самонагревание, интерполяция и ошибки при монтаже.

Калибровка термопары

Если ТС может быть перекалиброван и после установки, то термопара - нет. Термопару, которая потеряла свою калибровку, следует заменить. Промышленные термопары обычно не калибруются индивидуально. Вместо этого, их показания сравниваются со стандартными справочными таблицами. Для калибровки используются, как правило, один из двух методов: метод сличения (в котором ЭДС термопары сравнивается с эталонным датчиком) или метод фиксированной точки (ЭДС термопары измеряется в нескольких установленных состояниях). При оценке точности датчика температуры, важно учитывать не только калибровку самого датчика, но также влияние установки датчика и условий технологического процесса на эту точность.

Датчики. Как оценить время отклика?

Для отображения данных с частотой в соответствии с требованиями установки или отраслевыми нормами, датчики должны быть достаточно быстрыми в выявлении резкого изменения значения параметров процесса. Точность и время отклика по большей части являются независимыми друг от друга показателями. Так как оперативность датчиков имеет важнейшее значение для производственных систем, работы по модернизации систем должны начинаться с ее тщательной оценки, наряду с оценкой точности и надежности датчиков.

В то время, как точность датчика может быть восстановлена путем повторной калибровки, время отклика является неотъемлемой характеристикой, которая обычно не может быть изменена после изготовления датчика. Два основных метода для оценки времени отклика датчиков, это тест погружения (для датчиков температуры) и линейный тест (для датчиков давления).

Калибровка и время отклика датчиков, в особенности датчиков температуры, зависит в большой степени от условий технологического процесса, в том числе статического давления, температуры процесса, температуры окружающей среды и скорости потока жидкости.

Проверка без отрыва от производства

Существуют некоторые методы, которые часто упоминаются как тестирование на месте или он-лайн тестирование. Они были разработаны для проверки калибровки и времени отклика датчиков, уже используемых в каком-либо процессе. Для датчиков температуры, тест LCSR (Loop Current Step Response ) будет проверять динамические характеристики наиболее распространенных датчиков температуры - термопар и термометров сопротивления - там, где они установлены в операционном процессе. Метод LCSR показывает фактическое время отклика ТС (термометра сопротивления) «в процессе эксплуатации».

В отличие от термометров сопротивления и термопар, время отклика датчиков давления, уровня и расхода обычно не изменяется после установки. Это потому, что эти датчики являются электромеханическими устройствами, которые работают независимо от температуры окружающей среды и температуры процесса. Трудность в оценке датчиков давления связана с наличием системы процесс - провод - сенсорный интерфейс, которая соединяет датчик с фактическим процессом. Эти измерительные линии (провода) добавляют несколько миллисекунд задержки времени отклика датчиков. Хотя эта задержка незначительна, гидравлические задержки могут добавить десятки миллисекунд времени отклика для измерения давления системы.

Методика анализа шума позволяет измерять время отклика датчиков давления и измерительных линий в одном тесте. Как и в методе LCSR, техника анализа шума не мешает эксплуатации, использует существующие выходы датчиков для определения их времени отклика, и может быть выполнена удаленно для датчиков, которые установлены на производстве. Методика анализа шума основана на принципе контроля нормального выхода переменного тока датчиков давления с помощью быстрой системы сбора данных (частота от 1 кГц). Переменный ток на выходе датчика, который называется «шум», производится случайным колебаниями в процессе, связанными с турбулентностью, вибрацией и другими естественными явлениями. Так как эти посторонние шумы происходят на более высоких частотах, чем динамический отклик датчиков давления, они могут быть выделены из сигнала с помощью низкочастотной фильтрации. Как только сигнал переменного тока или шум отделяется от сигнала постоянного тока с использованием оборудования обработки сигнала, сигнал переменного тока усиливается, передается через сглаживающую фильтрацию, оцифровывается и хранится для последующего анализа. Этот анализ дает динамическое время реакции датчика давления и измерительных линий.

Существует ряд оборудования для сбора и анализа данных об уровне шума для датчиков давления. Коммерческое оборудование для спектрального анализа может собирать данные шумы и выполнять анализ в реальном времени, но это оборудование обычно не в состоянии справиться с множеством алгоритмов анализа данных, необходимых для получения результатов с точным временем отклика. Именно поэтому системы сбора данных на базе ПК, состоящие из изолированных узлов, усилителей и фильтров для формирования сигнала и его сглаживания, часто являются оптимальным выбором для сбора данных шумов и их анализа.

Срок службы датчиков

Когда следует заменять датчики? Ответ прост: заменять датчики следует по истечению срока службы, установленного производителем на указанный продукт, например 20 лет. Однако, это может быть очень дорого и нецелесообразно.

В качестве альтернативы можно продолжать использовать датчики после истечения их срока службы, но обязательно использовать системы отслеживания производительности датчика, чтобы определять надобность замены датчика и когда это следует сделать. Опыт показал, что высококачественные датчики с большой долей вероятности будут продолжать показывать хорошие результаты работы далеко за пределами диапазона службы, очерченного производителем. Консенсус между заводскими рекомендациями и реальным использованием датчиков может быть достигнут путем эксплуатации последних до тех пор, пока стабильность калибровки является приемлемой и его время отклика не уменьшается.

Многие шутят, что датчики, которые работают правильно надо «оставить в покое», а высококачественные датчики «в возрасте» вполне могут быть так же хороши, если не лучше, чем новые датчики той же модели и того же производителя.

Калибратор может быть использован в качестве как сухоблочного, так и жидкостного термостата. В калибраторе для охлаждения термостата до -100°С используется уникальная технология теплового насоса Стирлинга с газовым теплоносителем (FPSC). Внешний вид рабочего места представлен на рисунке 4.

Рисунок 4 - Внешний вид рабочего места

Термостат калибратора имеет две зоны с раздельным регулированием. Регулятор нижней зоны поддерживает заданное значение температуры, а верхней - "нулевую" разность температуры относительно нижней зоны. Такой метод обеспечивает высокую однородность температуры в рабочей зоне и низкую погрешность ее задания.

Калибратор снабжен схемой измерения сигнала внешнего эталонного термометра сопротивления. Такой термометр устанавливается рядом с поверяемым датчиком и подключается к специальному разъему калибратора. Это существенно упрощает калибровку методом сличения, который обладает значительно меньшей погрешностью.

Калибратор снабжен схемой DLC - динамической компенсации влияния потерь тепла через поверяемые датчики. Термометр DLC устанавливается рядом с поверяемым датчиком, измеряет перепад температуры в рабочей зоне вставной трубки и управляет регулятором верхней зоны термостата. Это обеспечивает высокую однородность распределения температуры в рабочей зоне до 60 мм от дна трубки вне зависимости от количества и/или диаметра вставленных датчиков.

Калибратор позволяет измерять сигналы поверяемых термопар и термометров сопротивления (мВ, Ом, В, мА) по ГОСТ, IEC и DIN.

Уникальные особенности:

Самая низкая граница отрицательной температуры -100°С;

Чрезвычайно высокая стабильность;

Высокая однородность температуры в рабочей зоне до 60 мм от дна вставной трубки;

Низкая погрешность;

Не имеющая аналогов схема динамической компенсации влияния загрузки термостата;

Быстрый нагрев, охлаждение;

Полная компенсация влияния бросков и нестабильности сетевого питания;

Встроенные средства измерения выходных сигналов различных датчиков температуры;

Встроенная схема измерения сигнала внешнего эталонного интеллектуального термометра сопротивления, в памяти которого сохранены коэффициенты индивидуальной калибровки;

Сохранение результатов калибровки/поверки во внутренней памяти калибратора;

Дружественный русифицированный интерфейс пользователя на основе меню;

Полная автоматизация поверки/калибровки датчиков температуры как в автономном режиме, так и при работе с ПК под управлением ПО, в том числе, поверка одновременно нескольких датчиков с использованием коммутаторов ASM-R.

Кроме обеспечения задания уставок по температуре калибратор автоматически реализует поверку/калибровку в ступенчатом режиме изменения температуры, а также (в исполнении В) калибровку термореле.

Русифицированное ПО позволяет:

Поверить в автоматическом режиме датчики температуры или загрузить в калибратор задания на поверку/калибровку и, после ее выполнения в автономном режиме, перенести результаты поверки в ПК.

Рекалибровать калибратор по температуре и электрическим сигналам.

ПО обеспечивает доступ к управлению всеми функциями калибраторов и, крометого, позволяет загрузить в калибратор множественные задания на калибровку и после их выполнения в автономном или автоматическом режимах перенести результаты в персональный компьютер для обработки и хранения.

С помощью ПО можно производить подстройку внутреннего («READ») термометра калибраторов, а также каналов измерений электрических величин, в том числе и канала внешнего («TRUE») термометра. Данное программное обеспечение позволяет загрузить в калибратор градуировочную характеристику для внешнего термопреобразователя сопротивления повышенной точности.

Структура ПО:

Поддержка поверяемых/калибруемых СИ температуры;

Конфигурирование схемы поверки/калибровки СИ температуры;

Планировщик поверки/калибровки СИ температуры;

Поверка/калибровка СИ температуры с помощью ПК.

Разъемы для подключения к компьютеру, а также для подключения внешних устройств представлены на рисунке 5.

Рисунок 5 - Цифровые разъёмы.

Для определенных целей регулирования, напри­мер для регулирования нагревательной установки, бы­вает важно измерять разность температур. Это изме­рение может быть осуществлено, в частности, по раз­ности между наружной и внутренней температурой или температурой на входе и выходе.

Рис. 7.37. Измерительный мост для определения абсолютных значений температуры и разности температур в 2-х точках; U Br – напряжение моста.

Принципиальное устройство измерительной схемы показано на рис. 7.37. Схема состоит из двух мостов Уитстона, причем используется средняя ветвь (R3 – R4) обоих мостов. Напряжение между точками 1 и 2 ука­зывает разность температур между Датчиками 1 и 2, тогда как напряжение между точками 2 и 3 соот­ветствует температуре Датчика 2, а между точками 3 и 1 - температуре Датчика 1.

Одновременное измерение температуры Т 1 или Т 2 и разности температур Т 1 – Т 2 важно при определе­нии термического КПД тепловой машины (процесс Карно). Как известно, коэффициент полезного дей­ствия W получается из уравнения W = (Т 1 – Т 2)/Т 1 = ∆Т)/Т 1 .

Таким образом, для определения нужно только найти отношение двух напряжений ∆U D 2 и ∆U D 1 между точками 1 и 2 и между точками 2 и 3.

Для точной настройки описанных приборов, пред­назначенных для измерения температуры, нужны до­вольно дорогие калибровочные устройства. Для об­ласти температур 0...100°С в распоряжении пользо­вателя имеются вполне доступные опорные темпера­туры, так как 0°С или 100°С по определению яв­ляются соответственно точками кристаллизации пли кипения чистой воды.

Калибровка по 0°С (273,15°К) осуществляется в воде с тающим льдом. Для этого изолированный со­суд (например, термос) заполняют сильно измельчен­ными кусками льда и заливают водой. Через несколь­ко минут в этой ванне устанавливается температура, точно равная 0°С. Погрузив датчик температуры в эту ванну, получают показания датчика, соответствующие 0°С.

Аналогично действуют и при калибровке по 100°С (373,15 К). Металлический сосуд (например, кастрюлю) наполовину заполняют водой. Сосуд, разу­меется, не должен иметь никаких отложений (на­кипи) на внутренних стенках. Нагревая сосуд на плитке, доводят воду до кипения и тем самым дости­гают 100-градусной отметки, которая служит второй калибровочной точкой для электронного термометра.

Для проверки линейности калиброванного таким образом датчика необходима, по меньшей мере, еще одна контрольная точка, которая должна быть рас­положена как можно ближе к середине измеряемого диапазона (около 50°С).

Для этого нагретую воду снова охлаждают до ука­занной области и ее температуру точно определяют с помощью калиброванного ртутного термометра, имею­щего точность отсчета 0,1°С. В области температур около 40°С для этой цели удобно применять меди­цинский градусник. Путем точного измерения темпе­ратуры воды и выходного напряжения получают третью опорную точку, которая может рассматри­ваться как мера линейности датчика.

Два различных датчика, откалиброванные выше­описанным методом, дают совпадающие показания в точках Р 1 и Р 2 , несмотря на их различные характе­ристики (рис. 7.38). По дополнительное измерение, например температуры тела, выявляет нелинейность характеристики В датчика 2 в точке Р 1 . Линейная характеристика А датчика 1 в точке Р 3 соответствует точно 36,5% полного напряжения в измеряемом диа­пазоне, тогда как нелинейная характеристика В со­ответствует явно меньшему напряжению.

Рис. 7.38. Определение линейности характеристики датчика с диапазоне 0...100ºС. Линейная (А ) и нелинейная (В ) характери­стики датчиков совпадают в опорных точках 0 и 100ºС.

=======================================================================================

Датчики температуры из платины и никеля

Термопары

Кремниевые датчики температуры

Интегральные датчики температуры

Температурный контроллер

Терморезисторы с отрицательным ТКС

Терморезисторы с положительным ТКС

Датчик уровня на основе терморезистора с положительным ТКС

Измерение разности температур и калибровка датчиков

ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ, РАСХОДА И СКОРОСТИ

Как и датчики температуры, датчики давления отно­сятся к наиболее широкоупотребительным в технике. Однако для непрофессионалов измерение давления представляет меньший интерес, так как существую­щие датчики давления относительно дороги и имеют лишь ограниченное применение. Несмотря на это, рас­смотрим некоторые варианты их использования.