Никелевые, платиновые и медные термопреобразователи
Никелевые термопреобразователи обладают высокой чувствительностью, платиновые – высокой стабильностью показаний с течением времени, а медные – низкой ценой и наилучшей линейностью зависимости сопротивления от температуры.
Нормируемые параметры
Нормируемыми параметрами металлических термопреобразователей являются сопротивление R100 при 100°С и температурный коэффициент термопреобразователя сопротивления α=(R100 – R0) / R0•100ºC, где R0 – сопротивление при 0°С.
Медные датчики изготавливаются с α=0,00428ºC–1, платиновые с α=0,00385ºC–1 и α=0,00391ºC–1, а никелевые с α=0,00617ºC–1.
Маркировка и данные
В маркировке, приводимой на корпусе датчика или прикрепленной к нему бирке, по ГОСТ 6651-2009 должны быть указаны следующие данные: модификация датчика по номенклатуре изготовителя, число чувствительных элементов (если их более одного), класс допуска, схема соединения выводов, диапазон рабочих температур.
Зависимость сопротивления от температуры
Зависимость сопротивления от температуры R (t) в узком диапазоне температур приближенно можно считать линейной. Датчик температуры состоит из термочувствительного элемента и защитной оболочки.
Чувствительный элемент может быть изготовлен в виде катушки с бифилярной намоткой или в виде проводникового слоя металла, нанесенного на диэлектрическое основание.
Методическая погрешность
При использовании крупных датчиков для измерения температуры тел с малой теплоемкостью появляется методическая погрешность, вызванная перераспределением количества теплоты между объектом измерений и датчиком (погрешность термического шунтирования).
Для уменьшения этой погрешности следует правильно выбирать размер (теплоемкость) датчика или учитывать эту погрешность расчетным путем.
Эффект саморазогрева
Для датчиков с малыми геометрическими размерами существенную роль играет величина измерительного тока Iex. Мощность Iex2R(t), выделяемая при прохождении измерительного тока через датчик с сопротивлением R(t), преобразуется в тепло, вызывающее саморазогрев датчика.
Для уменьшения эффекта саморазогрева следует снижать величину измерительного тока, однако это приводит к уменьшению отношения сигнала к шуму и увеличению случайной составляющей погрешности измерений.
Полупроводниковые терморезисторы
В отличие от металлических термопреобразователей, полупроводниковые терморезисторы требуют индивидуальной градуировки и не обеспечивают взаимозаменяемости. Их достоинствами являются малые размеры, низкая стоимость и высокая чувствительность к изменению температуры.
Измерение температуры с помощью термопреобразователей
Для измерения температуры с помощью термопреобразователей сопротивления необходимо измерять величину омического сопротивления датчика. В системах промышленной автоматизации используются три варианта схем измерений: двухпроводная, трехпроводная и четырехпроводная.
Погрешность инфракрасного термометра
Многие инфракрасные термометры, представленные в настоящее время на рынке, переделаны из промышленных термометров для предотвращения атипичной пневмонии. На них сильно влияет температура окружающей среды в это время, и существует погрешность между измеренной температурой тела и фактической температурой.
Факторы, влияющие на погрешность инфракрасного термометра
Уровень излучения
Излучательная способность — это физическая величина излучательной способности объекта по отношению к черному телу. Это связано не только с формой материала объекта, шероховатостью поверхности, неровностями и т. д., но и с направлением испытания. Если объект представляет собой гладкую поверхность, его направленность более чувствительна. Излучательная способность разных веществ различна, и количество энергии излучения, полученное инфракрасным термометром от объекта, пропорционально его излучательной способности.
Испытательный угол
Излучательная способность связана с направлением испытания. Чем больше угол теста, тем больше ошибка теста. Это легко упустить из виду при использовании инфракрасного излучения для измерения температуры. Вообще говоря, угол испытания лучше всего в пределах 30 градусов и, как правило, не должен превышать 45 градусов. Если тест должен быть больше 45 градусов, коэффициент излучения можно соответствующим образом снизить для коррекции. Если необходимо оценить и проанализировать данные измерения температуры двух идентичных объектов, то угол испытания должен быть одинаковым во время испытания, чтобы оно было более сопоставимым.
Коэффициент расстояния
Коэффициент расстояния (K=S:D) представляет собой отношение расстояния S от термометра до цели и диаметра D цели измерения температуры. Это оказывает большое влияние на точность инфракрасного термометра. Чем больше значение K, тем выше разрешение. Поэтому, если термометр должен быть установлен далеко от цели из-за условий окружающей среды, и необходимо измерить маленькую цель, следует выбрать термометр с высоким оптическим разрешением, чтобы уменьшить погрешность измерения. В реальных условиях многие люди игнорируют оптическое разрешение термометра. Вне зависимости от величины диаметра D измеряемой точки мишени включите лазерный луч и совместите его с мишенью измерения для проверки. Фактически они проигнорировали требования к значению S:D термометра, поэтому измеренная температура будет иметь определенную погрешность.
Целевой размер
Объект измерения и поле зрения термометра определяют точность измерения прибора. При использовании инфракрасного термометра для измерения температуры, как правило, можно измерить только среднее значение определенной области на поверхности измеряемой цели.
Ситуации в тесте:
- Когда измеряемая цель больше, чем тестовое поле зрения, на термометр не будет влиять фон за пределами области измерения, и он может отображать реальную температуру измеряемого объекта, расположенного в определенной области внутри оптической цели.
- Когда измеренная цель равна тестовому полю зрения, фоновая температура была затронута, но она все еще относительно мала, а тестовый эффект средний.
- Когда измеряемая цель меньше, чем поле зрения теста, энергия фонового излучения попадет в визуальные и акустические символы термометра и будет мешать показаниям измерения температуры, вызывая ошибки. Прибор отображает только средневзвешенное значение измеряемого объекта и фоновой температуры.
Время отклика
Время отклика указывает скорость реакции инфракрасного термометра на измеренное изменение температуры, которое определяется как время, необходимое для достижения 95 процентов энергии конечного показания, которое связано с постоянной времени фотодетектора, схемы обработки сигнала. и система отображения.
Если скорость движения цели высока или при измерении быстро нагревающейся цели следует выбрать быстродействующий инфракрасный термометр, в противном случае не будет достигнут достаточный отклик сигнала и точность измерения будет снижена. Но не для всех приложений требуется быстродействующий инфракрасный термометр.
Для стационарных или целевых тепловых процессов, в которых существует тепловая инерция, время отклика пирометра может быть снижено. Поэтому выбор времени отклика инфракрасного термометра должен быть адаптирован к ситуации измеряемой цели.
Двухпроводная схема измерений
Двухпроводная схема измерений (рис. 2) использует косвенный метод измерений, при котором измеряется напряжение на сопротивлении Vx, вызванное протекающим калиброванным током возбуждения Iex.
Реже задаётся калиброванное напряжение Vx и измеряется ток Iex. Возможен также вариант, когда одновременно измеряются как ток, так и напряжение при использовании некалиброванных источников измерительных сигналов. Во всех случаях величину сопротивления Rx рассчитывают по формуле
Измерение сопротивления металлических датчиков
В современных измерительных системах малое сопротивление металлических датчиков является проблемой, влияющей на точность результатов. Большую погрешность в результат измерения вносят сопротивления проводов Rпр, особенно в двухпроводной схеме измерений. Для уменьшения данной погрешности рекомендуется использовать четырёхпроводную схему.
Двухпроводная схема измерений
Двухпроводная схема измерений используется, когда сопротивления Rпр малы, не превышая 0,1% от сопротивления датчика R0. Например, для медного датчика ТСМ50 с R0 = 50 Ом сопротивление проводов не должно превышать 0,05 Ом. При использовании проводов сечением 0,35 мм2 длина пары проводников не должна превышать 0,5 м.
Исключение систематической погрешности
Чтобы исключить систематическую погрешность измерений, следует учитывать сопротивление от температуры провода. Погрешность измерения сопротивления можно рассчитать с учётом погрешности в напряжении и задании тока.
Четырёхпроводная схема измерений
Четырёхпроводная схема измерений позволяет измерить напряжение на выводах сопротивления Rx, минуя падение напряжения на сопротивлении проводов Rпр. Методическая погрешность отсутствует, и относительная погрешность измерения определяется только инструментальной погрешностью.
Решение задач
- Проекция ускорения тела в интервале времени от 0 до 10 с равна м/с².
- Жесткость первой пружины равна 0,3 Н/м.
- Температура воздуха в классе равна ( ± ) по показаниям термометра с учетом погрешности измерения.
Необходимо экспериментально изучить зависимость периода свободных электромагнитных колебаний в колебательном контуре от величины электроемкости конденсатора. Какие две установки следует использовать для проведения такого исследования?
Шарик массой 200 г падает с высоты 20 м с начальной скоростью, равной нулю. Его кинетическая энергия в момент перед ударом о землю равна 35 Дж. Какова потеря механической энергии шарика за счёт сопротивления воздуха?
Ответ: Дж
Ученик пытается измерить силу, которую нужно приложить, чтобы оторвать кнопку от магнита. Показания динамометра приведены на рисунке. Погрешность измерения равна цене деления динамометра. Запишите в ответ показания динамометра с учётом погрешности измерений.
Ответ: ( ± ) Н
Необходимо экспериментально выяснить, зависит ли ускорение тела, скользящего по шероховатой наклонной плоскости, от массы тела (на всех представленных ниже рисунках — масса тела, — угол наклона плоскости к горизонту, — коэффициент трения между бруском и плоскостью). Какие две установки следует использовать для проведения такого исследования?
Автомобиль массой 2 т проезжает верхнюю точку выпуклого моста, радиус кривизны которого равен 40 м, с постоянной по модулю скоростью 36 км/ч. Из приведённого ниже списка выберите все правильные утверждения, характеризующие движение автомобиля в этот момент времени, и укажите их номера.
В инерциальной системе отсчёта вдоль оси движется тело массой 20 кг. На рисунке приведён график зависимости проекции скорости этого тела от времени Из приведённого ниже списка выберите все правильные утверждения, и запишите в ответ их номера.
В сосуде содержится гелий под давлением 100 кПа. Концентрацию гелия увеличили в 2 раза, а среднюю кинетическую энергию его молекул уменьшили в 4 раза. Определите установившееся давление газа.
Ответ: кПа
Ученику необходимо провести исследование зависимости частоты свободных электромагнитных колебаний в колебательном контуре от индуктивности катушки. Параметры колебательных контуров приведены в таблице. Какие два колебательных контура из предложенных ниже необходимо взять ученику, чтобы провести данное исследование?
№ колебательного контура Электроемкость конденсатора Индуктивность катушки
1 14 пФ 1,2 мГн
2 0,6 мкФ 1,4 мГн
3 12 пФ 1,2 мГн
4 140 пФ 1,4 мГн
5 0,6 мкФ 1,0 мГн
На рисунке изображены графики зависимости мощности лампы накаливания и сопротивления её спирали от температуры. Выберите все верные утверждения, которые можно сделать, анализируя эти графики.
Плоский конденсатор с воздушным зазором между обкладками подключён к источнику постоянного напряжения. Как изменятся при уменьшении зазора между обкладками конденсатора его электроёмкость и величина заряда на его обкладках?
Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:
Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.
Электроемкость конденсатора Величина заряда на обкладках конденсатора
Математический маятник с частотой колебаний 0,5 Гц отклонили на небольшой угол от положения равновесия в положение 1 и отпустили из состояния покоя (см. рисунок). Сопротивлением воздуха пренебречь. Из приведённого ниже списка выберите все верные утверждения и укажите их номера.
Массивный груз, подвешенный к потолку на пружине, совершает вертикальные свободные колебания. Пружина всё время остаётся растянутой. Как ведёт себя потенциальная энергия пружины и кинетическая энергия груза, когда груз движется вверх от положения равновесия?
Потенциальная энергия пружины Кинетическая энергия груза
Груз изображённого на рисунке пружинного маятника совершает затухающие гармонические колебания между точками 1 и 3. Как меняется ускорение груза и жесткость пружины при движении груза маятника от точки 1 к точке 2?
Ускорение груза Жесткость пружины
Груз, привязанный к нити, отклонили от положения равновесия и в момент отпустили из состояния покоя (см. рисунок). На графиках А и Б показано изменение физических величин, характеризующих движение груза после этого. — период колебаний груза. Установите соответствие между физическими величинами и формулами, по которым их можно рассчитать.
К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.
проекция скорости
кинетическая энергия
потенциальная энергия
кинетическая энергия
проекция импульса
проекция ускорения
Два пластилиновых шарика массами и находятся на горизонтальном гладком столе. Первый из них движется ко второму со скоростью а второй покоится относительно стола. Укажите формулы, по которым можно рассчитать модули изменения скоростей шариков в результате их абсолютно неупругого удара. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.
A) модуль изменения скорости первого шарика
Б) модуль изменения скорости второго шарика
С высоты по наклонной плоскости из состояния покоя соскальзывает брусок массой Длина наклонной плоскости равна а коэффициент трения между бруском и плоскостью равен Установите соответствие между физическими величинами и формулами, по которым их можно определить.
A) сила трения, действующая на брусок
Б) время движения бруска
В инерциальной системе отсчёта (ИСО) за время под действием постоянной силы импульс тела массой изменился на .
Установите соответствие между физическими величинами и формулами, по которым их можно рассчитать.
A) сила, действующая на тело
Б) ускорение тела в ИСО
Шайба массой съезжает с горки без трения из состояния покоя. Ускорение свободного падения равно У подножия горки кинетическая энергия шайбы равна Чему равны высота горки и модуль импульса шайбы у подножия горки? Установите соответствие между физическими величинами и формулами, по которым их можно рассчитать.
A) высота горки
Б) модуль импульса шайбы у подножия горки
Материальная точка движется по оси Её координата меняется по закону:
Установите соответствие между физическими величинами и формулами, по которым их можно рассчитать. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.
A) амплитуда скорости точки
Б) амплитуда ускорения точки
Температура гелия увеличилась с до Во сколько раз увеличилась средняя кинетическая энергия его молекул?
Ответ: раз(а)
Температура неона уменьшилась с до Во сколько раз уменьшилась средняя кинетическая энергия его молекул?
В сосуде содержится аргон, абсолютная температура которого равна 300 К. Концентрацию аргона уменьшили в 2 раза, при этом его давление увеличилось в 1,5 раза. Определите установившуюся абсолютную температуру газа.
На рисунке приведён график процесса 1-2, в котором участвует гелий. Объём, занимаемый газом в состоянии 1, равен 2 л. Определите объём гелия в состоянии 2, если в процессе 1-2 количество вещества гелия не меняется.
Ответ: л
При уменьшении абсолютной температуры на 600 К среднеквадратичная скорость теплового движения молекул неона уменьшилась в 2 раза. Какова начальная температура газа?
Газ в цилиндре переводится из состояния А в состояние В так, что его масса при этом не изменяется. Параметры, определяющие состояния идеального газа, приведены в таблице:
1,0 4
1,5 8 900
Какое число следует внести в свободную клетку таблицы?
Сосуд с одноатомным идеальным газом сжали, увеличив концентрацию молекул газа в 6 раз. Одновременно сосуд охладили так, что средняя энергия теплового движения молекул газа уменьшилась в 2 раза. Во сколько раз в результате этого возросло давление газа в сосуде?
Ответ: в раз(а)
1 моль идеального газа изохорно нагревают на 100 К, при этом его давление увеличивается в 3 раза. Какова первоначальная абсолютная температура газа?
Объём 1 моль водорода в сосуде при температуре и давлении равен Объём 4 моль водорода при том же давлении и температуре равен Чему равно отношение (Водород считать идеальным газом.)
В сосуде находится постоянное количество вещества идеального газа. Во сколько раз уменьшится объём газа, если он перейдёт из состояния 1 в состояние 2 (см. рисунок)?
В сосуде находится идеальный газ. Процесс изобарного изменения состояния газа показан на диаграмме (см. рисунок). Масса газа в процессе изменялась. В какой из точек диаграммы масса газа имеет наименьшее значение?
В сосуде находится идеальный газ. Процесс изохорного изменения состояния газа показан на диаграмме (см. рисунок). Масса газа в процессе изменялась. В какой из точек диаграммы масса газа имеет наибольшее значение?
На рисунке изображено изменение состояния постоянной массы разреженного аргона. Температура газа в состоянии 1 равна Какая температура соответствует состоянию 2?
В кубическом метре воздуха в помещении при температуре 20 °С находится водяных паров. Пользуясь таблицей плотности насыщенных паров воды, определите относительную влажность воздуха.
16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
1,36 1,45 1,54 1,63 1,73 1,83 1,94 2,06 2,18 2,30
Ответ: %
Идеальный одноатомный газ участвует в процессе 1-2-3, график которого приведен на рисунке (где — объём газа, — абсолютная температура газа). Масса газа в ходе процесса не меняется. В процессе 1-2 газу сообщают количество теплоты, равное 8 кДж. Определите изменение внутренней энергии в процессе 1-2.
Ответ: кДж
Идеальный одноатомный газ участвует в процессе 1-2-3, показанном на рисунке (где — абсолютная температура газа, — давление газа). Масса газа в ходе процесса не меняется. В процессе 1-2 газу сообщают количество теплоты, равное 5 кДж. Какую работу совершает газ в процессе 1-2?
Внутреннюю энергию 2 молей одноатомного идеального газа уменьшили на 800 Дж, а внешние силы совершили над ним работу 400 Дж. Какое количество теплоты отдал газ?
Выберите страницу
Погрешность измерений температуры с помощью термопреобразователей сопротивления включает следующие составляющие:
Погрешность модуля ввода нормируется при условии, что сопротивление провода от модуля до датчика равно нулю. Поэтому эту составляющую погрешности можно рассчитать по формуле (9) и сложить с погрешностью модуля, но лучше откалибровать модуль с подключёнными к нему проводами нужной длины. ●
Трёхпроводная схема измерений
Желание снизить стоимость кабеля в системах автоматизации при невысоких требованиях к точности привело к появлению трёхпроводной схемы измерений. В модулях ввода используются три варианта трёхпроводных схем измерения сопротивлений, которые отличаются погрешностью и конструкцией измерительного модуля.
С появлением интегральных АЦП с двумя встроенными цифроуправляемыми источниками тока возникла возможность реализовать трёхпроводную схему измерений, показанную на рис. 3а.
Предположим сначала, что равны токи источников тока Iex1 = Iex2 = Iex и сопротивления проводов: Rпр1 = Rпр2 = Rпр, а погрешность измерителя напряжения равна нулю. Тогда напряжение Vx между выводами измерителя напряжения на рис. 3а будет равно
Учитывая идентичность токов и сопротивлений, получим
то есть падения напряжения на проводах взаимно компенсируются благодаря идентичности измерительных токов и сопротивлений проводов.
Предположим теперь, что токи Iex1 и Iex2 заданы со случайной погрешностью ΔIex , то есть Iex1 = Iex ± ΔIex, Iex2 = Iex ± ΔIex и сопротивления проводов также имеют технологический разброс Rпр1 = Rпр ± ΔRпр, Rпр2 = Rпр ± ΔRпр , а погрешность измерителя напряжения равна ΔV. Тогда выражение (5) примет вид
Пренебрегая выражениями вида ΔRпрΔIex по сравнению с RпрIex и с ΔRпрIex, получим:
Используя правило квадратичного суммирования случайных погрешностей, получим выражение для среднеквадратической погрешности измерения напряжения:
Относительную погрешность измерений с помощью трёхпроводной схемы, показанной на рис. 3а, можно рассчитать по формуле (4), используя (9).
Как следует из (9) и (4), погрешность пропорциональна сопротивлению (длине) провода Rпр и дисбалансу токов источников измерительного тока. Заметим, что обе эти составляющие отсутствуют в ранее рассмотренной четырёхпроводной схеме измерений.
Второй вариант трёхпроводной схемы измерений показан на рис. 3б. Компенсация падений напряжения на проводах в ней осуществляется благодаря применению второго измерителя напряжения V0. Зная величину V0 и предполагая, что сопротивления Rпр1 = Rпр3 (сопротивление R2 не вносит погрешность, так как ток через него равен нулю), получим:
В этой схеме присутствуют те же источники погрешности, что и в предыдущей, поскольку используется тот же принцип компенсации погрешностей, если учесть, что вместо погрешности задания тока вносится погрешность его измерения.
Третьим вариантом трёхпроводной схемы измерения сопротивлений является мост Уитстона (рис. 4).
В отличие от предыдущих схем, в которых использован косвенный метод измерения сопротивлений, мост используется для прямого измерения методом сличения с эталоном. В процессе измерений мост служит индикатором равенства напряжений левого V1 и правого V2 плеча моста:
До появления микропроцессорных измерительных средств процесс измерения сопротивлений с помощью моста выполнялся следующим образом. В качестве Rэ использовался магазин эталонных сопротивлений, которые переключались вручную или специальным механическим приводом до тех пор, пока не наступало состояние равновесия моста, когда V0 = 0, или V1 = V2 . В состоянии равновесия, как следует из (12),
Зная R1, R, Rэ, и Rпр, из (13) можно найти искомое значение Rx. Важно, что результат измерения не зависит от напряжения Vex, в том числе его стабильности и величины помех в цепях питания моста.
Если мост уравновешен при условии R1/R2=1, то, как следует из (13), Rx = Rэ, при этом сопротивление проводов Rпр не влияет на результат измерения.