Вопросы для самоконтроля по теме:

1. Что изучает и какие задачи решает метрология?

2. Приведите основные вехи в развитии метрологии.

3. Дайте классификацию методов и средств измерения.

4. Приведите основные этапы обработки результатов измерения.

Тесты по теме:

1. Поставьте термин эталон в соответствующую формулировку.

1)… - техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимают неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени.

2)… - средство измерений (или комплекс средств измерений), предназначенное для воспроизведения и (или) хранения единицы и передачи её размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений и утверждённое в качестве эталона в установленном порядке.

3)… - одно из свойств физического объекта (физической системы, явления или процесса), общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуально для каждого из них.

4)… - отклонение результата измерений от истинного (действительного) значения измеряемой величины.

2. Каким термином называют значение физической величины, которое идеальным образом отражало бы в качественном и количественном отношениях соответствующее свойство объекта? 1) физическая величина; 2) истинное значение; 3) действительное значение.

3. К каким видам измерений относится измерение влажности объекта? 1) к механическим; 2) к физико-химическим; 3) к тепловым.

4. В каком году была подписана семнадцатью государствами и в том числе Россией конвенция по усовершенствованию метрической системы? 1) 1791; 2) 1960; 3) 1983; 4)1875.

5. Какому виду измерений дано следующее определение: одновременные измерения двух или нескольких разнородных величин для установления зависимости между ними? 1) совместные; 2) косвенные; 3) прямые; 4) совокупные.

Тема 2. Измерение параметров технологических и вспомогательных процессов.

2.1. Измерение температуры.

Температура связана с кинетической энергией теплового движения частиц и характеризует степень нагретости тела. Единицами температуры являются градусы различных температурных шкал. В системе СИ температура выражается в кельвинах (К);

1^оК равен 1/100 температурного интервала между точками кипения воды и таяния льда. Шкала Кельвина является абсолютной температурной шкалой.

Шкала Цельсия является условной температурной шкалой, в которой за нулевую точку принята температура таяния льда. Величина градуса Цельсия (С) равна градусу Кельвина (1 С = 1 К).

В ряде зарубежных стран сохранились другие условные температурные шкалы, в частности шкала Фаренгейта. Связь между значениями температуры, выраженными единицами различных шкал, описываются формулами:

Наиболее широкое применение находит контактное измерение температуры тела (газообразного, жидкого или твёрдого), которое основано на теплообмене между ним и чувствительным элементом измерительного прибора и последующим преобразовании температуры чувствительного элемента в другие величины, удобные для восприятия. В практике чувствительный элемент может оказаться под воздействием посторонних тепловых потоков, которые приводят к отклонению его температуры от температуры измеряемого тела и, как следствие, к погрешностям измерений. Поэтому одно из основных требований к методам измерений температуры это обеспечение наименьшего термического сопротивления между чувствительным элементом прибора и измеряемым телом и изоляции чувствительного элемента от посторонних тепловых потоков.

Первичные преобразователи температуры.

Для контактного измерения температуры используют следующие типы первичных преобразователей:

- стеклянные жидкостные преобразователи, основанные на тепловом расширении жидкостей;

- манометрические преобразователи, в которых измерение температура преобразуется в измерение давления жидкости, пара или газа;

- термоэлектрические преобразователи, в которых под воздействием температуры генерируется термо-ЭДС постоянного тока;

- термопреобразователи сопротивления, в которых используется зависимость удельного сопротивления проводника или полупроводника от температуры.

Преобразователи стеклянных жидкостных термометров.

Такие преобразователи служат для лабораторных и технических измерений в области температур от –90 до +200⁰С. Действие этих преобразователей основано на объёмном расширении жидкости при постоянном давлении. Выходной величиной является изменение длины столбика жидкости. Термометры различают по виду термометрической жидкости. В промышленности применяют следующие термометрические жидкости: ртуть в области температур –30 +200⁰С, спирт –50 +50⁰С, толуол -80 +60⁰С. Схема простейшего преобразователя приведена на рис.IY-1, стр.92 [3].

При повышении температуры в результате расширения жидкость заполняет капилляр. Его размеры выбираются так, чтобы при температуре, равной верхнему пределу измерений, жидкость заполнила капилляр на длине L. Функция преобразования имеет вид х = At – B,

где х - длина заполненной части капилляра; t - измеряемая температура.

A = v_o/S, B = t_H(v_o/S),

где t_H - начальная температура (нижний предел измерений); v_o - объём жидкости при начальной температуре; S - площадь поперечного сечения канала капилляра;  - видимый коэффициент расширения термометрической жидкости:

 = _ж - _ст,

где _ж и _ст - истинные коэффициенты расширения жидкости и стекла.

Функция преобразования линейна относительно температуры, что позволяет иметь равномерные шкалы.

Для особо точных измерений (порядка 0,001-0,01⁰С) небольших диапазонов изменения температуры используются метастатический преобразователь (термометр Бекмана).

Манометрические термопреобразователи.

Манометрические преобразователи, в которых температура преобразуется в давление, а затем в механическое перемещение, применяется в технических приборах для измерений в диапазоне от –150 до +600 ⁰С с основной допускаемой погрешностью от 1 до 2,5%.

Манометрический термометр представляет собой пружинный манометр, герметично соединённый с термосистемой. Последняя состоит из чувствительного элемента (термобаллона) и соединительной капиллярной трубки. Упругий элемент манометра может приводить в действие стрелку прибора либо элемент промежуточного (передающего) преобразователя для дистанционной передачи информации. В зависимости от используемого термометрического вещества (заполнителя) манометрические преобразователи подразделяются на газовые, жидкостные и парожидкостные, или конденсационные.

Термоэлектрические преобразователи. (Термопары).

Термоэлектрические преобразователи (ТП) преобразуют температуру в электродвижущую силу (термо-ЭДС). Действие ТП основано на явлении Зеебека, т.е. на генерации термо-ЭДС в месте соединения двух различных проводников. Величина термо-ЭДС зависит от материалов термоэлектродов и является функцией температурф. Распрстранение получили ТП медь-константановые (МК) и хромель-копелевые (ХК).

Медькостантаноые ТП не имеют стандартизованных градуировочных таблиц, однако в силу целого ряда достоинств находят применение в лабораторной практике для измерений в области от –200 до +300 ⁰С. Основное достоинство - большое постоянство термоэлектрических свойств. При соответствующей градуировке МК ТП позволяют измерять температуру с погрешностью (0,1—0,2)⁰С.

Хромель-копелевые ТП в соответствии с ГОСТ 3044-77 могут использоваться в области температур от –50 до +600⁰С. Достоинство этих ТП— наивысшая чувствительность по сравнению с другими типами ТП. Недостатками хромель-копелевых ТП являются плохая воспроизводимость функции преобразования (градуировочной характеристики) различными париями термоэлектродных проводов, а также наличие неоднородностей материала, особенно хромеля, которые приводят к возникновению паразитных термо-ЭДС. Достижимая точность порядка (0,3—0,5)⁰С.

Схемы термоэлектрических преобразователей.

a b ^о И И ^о e ^о

А В A₁ A₂

e_AC U e_BC C K B₁ B₂

е_АВ

t t_И e_CB(t_И) e_p(t) e_CB

А е_АВ В А В t t_o

t е_р(t)

a) б) в) t г)

В схеме а) два термоэлектродных проводника А и В соединены между собой (обычно сваркой или пайкой), и спай помещён в измеряемую среду с температурой t. В спае генерируется термо-ЭДС е_АВ(t), которая полностью передаётся на концы а и b. Изменениям температуры соответствует однозначное изменение величины е_АВ.

В схеме б) И(измеритель) подключен к точкам а и b проводом из материала С. В связи с этим в местах контакта материалов АС и ВС возникают дополнительные термо-ЭДС и в измерительной цепи действует сумма термо-ЭДС, подводимая к измерительному прибору:

U_и = e_AB(t) + e_AC(t_и) + e_BC(t_и), (*)

где е_АС(t_и), е_ВС(t_и) – термо-ЭДС, возникающие в точках присоединения а и b; t_И – температура в местах контакта АС и ВС.

Из теории известно (Сосновский,Столяров), что при включении в цепь термоэлектрических проводов третьего провода и при условии, что места соединения этого провода с проводами А и В имеют одинаковую температуру t_и, имеет место равенство

e_AС(t_и) + e_BC(t_и) = e_AB(t_и). (**)

Подставляя (**) в (*) и принимая во внимание фактическое направление ЭДС, получим

U_и = e_AB(t) – e_BC(t_и).

Спай, воспринимающий измеряемую температуру, называется рабочим, а концы, присоединяемые к измерительным приборам, - свободными.

Во избежание дополнительных погрешностей применяют измерительные приборы с корректирующим устройством К (схема в). Это устройство в зависимости от температуры t_и генерирует напряжение U_К таким образом, чтобы компенсировать изменение термо-ЭДС свободных концов.

Для точных измерений в области умеренных температур применяют ТП с двумя спаями: рабочим и свободным (схема г). Рабочий спай термоэлектродов А₁ и В₁ воспринимает измеряемую температуру t . Свободный спай А₂ и В₂ из таких же проводов помещают термостатируемый сосуд с постоянной температурой t_o. Чаще всего это сосуд Дюара с таящим льдом, в котором с достаточно высокой точностью поддерживается температура 0^оС. Результирующая термо-ЭДС

e = е_р(t)--e_CB(0).

Т.к. е_СВ(0) = const, величина результирующей термо-ЭДС (Е) однозначно зависит от t.

При помощи термопар возможно измерение температуры в нескольких точках путём подключения нескольких термоспаев к одному измерительному прибору через многоточечный переключатель.

Термопреобразователи сопротивления.

Термометры электрического сопротивления (ТС) применяются для измерений температуры в диапазоне от –100^оС до +300 ⁰С. По принципу действия они относятся к параметрическим преобразователям: измеряемая температура преобразуется в изменения электрического сопротивления. В зависимости от материала, из которого изготовлены чувствительные элементы, ТС делятся на металлические и полупроводниковые. Для измерений в области температур умеренного холода применяются почти исключительно металлические ТС.

Металлические ТС изготавливаются из платины (ТСП) и меди (ТСМ).

Функция преобразования для платиновых ТС имеет в области умеренных температур вид

R_t = R_o(1+At+Bt²),

где R_t - сопротивление при температуре t А = 3,96810^{-3 0}С^-1; В = -5,84710^{-7 0}С^-2; R_o - сопротивление ТС при 0⁰С.

Функция преобразования для медных ТС принимается линейной в виде

R_t = R_o(1+_t),

где  - температурный коэффициент меди, равный 4,2610^{-3 0}С^-1. Конструктивно ТС представляют собой обмотку из проволоки диаметром 0,05-0,1 мм, нанесённую на изолирующий каркас и помещённый в защитный кожух. Обмотку обычно выполняют бифилярно (петлевым способом), что уменьшает внешние наводки.

Способы измерения температуры с помощью ТС.

1 - способ амперметра и вольтметра;

2 - способ неуравновешенного моста;

3 - способ уравновешенного моста.