Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М.Ф. Решетнева»
Институт гражданской авиации и таможенного дела
Кафедра «Технической эксплуатации авиационных электросистем и пилотажно-навигационных комплексов»
Направление подготовки 25.03.02 - «Техническая эксплуатация авиационных электросистем и пилотажно-навигационных комплексов»
Курсовая работа
по дисциплине: «Автоматизированные информационно-измерительные системы»
Авиационные термометры
Выполнил студент:
Духанов В.В.
Форма обучения - заочная
Проверил:
Мусонов В.М.
Красноярск 20__ г.
Содержание
температура термопреобразователь датчик сопротивление
Введение
1. Общие сведения об измерении температуры
1.1 Понятие температуры
1.2 Особенности измерения температуры
1.3 Авиационные термометры
2. Термобиметаллические термометры
3. Терморезистивные преобразователи
3.1 Принцип действия. Измерительные цепи
3.2 Термопреобразователи сопротивления на основе металлов
3.3 Полупроводниковые термопреобразователи сопротивления
3.4 Особенности устройства термометров сопротивления
3.5 Параметры терморезисторов
3.6 Погрешности терморезисторных термометров
4. Термоэлектрические термометры
5. Общие методические погрешности датчиков температуры
Заключение
Список использованных источников
Введение
Температура как физическая величина является одним из определяющих параметров состояния, позволяющих контролировать протекание самых различных производственных процессов. Измерение температуры - важнейший источник информации о ходе физических явлений и об изменении состояния вещества. Поскольку из всех термодинамических функций состояния вещества температура наиболее изучена в метрологическом отношении, ее практически оказывается полезным измерять взамен прямого измерения ряда характеристик объекта, зависящих от его состояния и непосредственно интересующих технолога. К таким характеристикам относятся энергия вещества, его химическая активность, вязкость, твердость, изменение его химического или фазового равновесия, скорость изменения структуры, тепловое расширение, изменение электрических и магнитных свойств и так далее.
В то же время измерению температуры контактными методами с помощью термометров, приводимых в тепловой контакт с объектом измерения, присущи специфические трудности, резко возрастающие по мере повышения температуры. Эти трудности связаны с выбором материала для чувствительного элемента, которые бы обеспечивали стабильность показаний и минимальное воздействие на объект измерений, с выбором изоляционных материалов для электрических термометров. Погрешности, связанные при контактных измерениях с несовершенством теплового равновесия между термометром и объектом, с плохим тепловым контактом и посторонними тепловыми влияниями могут быть значительными.
Измерение температуры по тепловому излучению создает возможность обойти все эти трудности, так как отсутствует прямое воздействие температуры на конструкционные материалы измерительного прибора, а само измерение осуществляется бесконтактно.
1. Общие сведения об измерении температуры
1.1 Понятие температуры
Приборы, предназначенные для измерения температуры, называются термометрами.
В качестве принципа работы термометров можно использовать любой физический процесс, в котором температура однозначно связана с какой-либо легко определяемой величиной (например, изменение объёма, давления, электрического сопротивления, ЭДС и т.д.). Температуры тел - уровни их внутренних энергий - определяют интенсивность теплообмена между ними и указывают направление передачи тепловой энергии от более нагретого к менее нагретому телу.
Общее определение понятия температуры можно сформулировать следующим образом. Температура - статистически формирующаяся теплодинамическая величина, определяемая уровнем внутренней энергии тела. Носителями внутренней энергии являются атомы и молекулы тела, кинетическая энергия которых определяет температуру. В частности, для газообразных тел согласно кинетической теории средняя поступательного движения молекул связана с температурой Т газа выражением:
, (1)
где m - их масса; н - средний квадрат скорости поступательного движения молекул; k - постоянная Больцмана.
Распределение энергии поступательного движения между молекулами характеризуется выражением:
(2)
где ?N - число молекул, энергия которых находится в интервале от E до E+?Е; N - общее число молекул в единице объема; E - энергия поступательного движения молекул, определяющаяся их скоростью.
Кинетическая энергия вращательного и колебательного движения молекул газа и колебательного движения атомов в кристаллических решетках твердого тела подчиняются закономерностям, выраженным аналогичными соотношениями.
В процессе соударения молекул происходит обмен энергии между ними, т. е. устанавливается равновесное состояние, при котором все формы кинетической энергии ансамбля молекул и атомов тела характеризуются одинаковым значением температуры. Такую неравновесную температуру Т принято называть термодинамической.
Выражения (1) и (2) характеризуют статистическую связь между энергией движения молекул и температурой, справедливую для большого ансамбля частиц. Однако для данной температуры кинетическая энергия каждой отдельной молекулы может существенно отличаться от средней энергии, входящей в эти выражения. Поэтому понятие температуры является статистическим и применимо только к телу, состоящему из очень большого числа молекул. В применении к отдельной молекуле понятие температуры не имеет смысла.
В пространстве с крайне разреженной материей температура не может быть определена статистическим распределением скоростей движения молекул. В этих условиях статистические соотношения неприменимы. Температура такого пространства определяется мощностью пронизывающих его потоков лучистой энергии. За его температуру принимают температуру абсолютно черного тела с такой же мощностью излучения.
Не имеет физического смысла понятие температуры в некоторой точке данного тела. Можно говорить только о температуре, характеризующей состояние вещества внутри некоторого объема тела, точнее, тела конечной массы.
Термодинамическая температура входит в фундаментальные соотношения, определяющие либо характер протекания ряда физических процессов, либо связь с другими физическими величинами. К таким фундаментальным соотношениям, играющим большую роль в температурных измерениях, следует отнести следующие:
Уравнение состояния идеального газа - уравнение Клапейрона
сV=RT, (3)
где с и V - соответственно давление и объем газа, а R - универсальная газовая постоянная, равная 8,31441 Дж/(моль*К).
Закон Кюри:
м=с/Т (4)
где м - магнитная восприимчивость парамагнитной соли; с - постоянная, определяемая при градуировке;
Уравнение Найквиста, определяющее интенсивность тепловых шумов на концах активного сопротивления R, названных флуктуациями носителей зарядов в проводнике:
, (5)
где h - постоянная Планка; - частота.
При kT уравнение принимает вид ?U2 = 4RkT;
Формула Планка, определяющая свойства теплового излучения абсолютно черного тела для длины волны л, Вт/м2:
, (6)
где с1 и с2 - постоянные.
Необходимость сопоставления результатов измерения температур в разных странах заставила искать пути создания международного эталона.
Первой попыткой в этом направлении было утверждение в 1889г. на Международной конференции по мерам и весам в качестве международного эталона температуры водородного газового термометра постоянного объема.
В качестве основных точек были выбраны температуры таяния льда и кипения воды при нормальном давлении, которым приписаны числовые значения соответственно 0 и 100 с делением основного интервала на 100 равных частей. Числовым значениям измеренных "водородных" температур приписывался знак °С.
Развитие отраслей техники, нуждающихся в надежных методах измерений температур, выходящих далеко за пределы интервала (0ч100) °С и обладающих более высокой воспроизводимостью, чем газовый термометр. В 1933 г. на 8-й Генеральной конференции было утверждено Положения об МПТШ-27.
МПТШ должна быть установлена таким образом, чтобы легко и просто было воспроизводить и определять любую температуру по МПТШ с точностями более высокими, чем по термодинамической шкале. В МПТШ-68 используются как международные практические температуры Кельвина (символ T68), так и международные практические температуры Цельсия (символ t68). Соотношение между Т68 и t6S такое же, как между Т и t, т.е. Т68 К = t68 °С + 273,15.
Единицей Т68, так же как и единицей термодинамической температуры, является Кельвин (К). Числовые значения температур в абсолютной шкале T68 выражаются в Кельвинах, а в шкале, отсчитываемой в Кельвинах от точки плавления льда, считаются выраженными в градусах Цельсия, °С, т.е. так же, как термодинамические температуры.
Международная практическая температурная шкала (МПТШ-68) с учетом рекомендаций Консультативного комитета по термометрии 1984 г. основывается на группе из 12 воспроизводимых температур фазовых переходов (реперных точек), числовые значения которых были получены как наиболее достоверные по результатам газотермических измерений в ряде стран таких, как точка кипения равновесного водорода при нормальном давлении 20,23 К (-252,87 °С), тройная точка воды 273,16 К (0,01 °С), точка кипения воды 373,15 К (100 °) и т.д.. Эти значения охватывают интервал шкалы от 13,81 К (-259,34°) - тройная точка равновесного водорода до 1337,58 К (1064,43 °С) - точка затвердевания золота.
1.2 Особенности измерения температуры
Почти во всех методах измерения температуры чувствительный элемент приводится в соприкосновение со средой, в которой необходимо измерять температуру. При этом температура чувствительного элемента должна быть равна или пропорциональна температуре среды. Совпадение этих температур зависит от многих факторов, в том числе от размеров, формы и материала чувствительного элемента, от размеров, формы и материала контролируемой среды и от условий передачи теплоты к чувствительному элементу. Всякий чувствительный элемент, внесенный в контролируемую среду, искажает ее температурное поле, что является одной из причин несовпадения температур. С другой стороны, температура чувствительного элемента тем ближе с температурой среды, чем лучше теплообмен между средой и чувствительным элементом.
Передача теплоты к чувствительному элементу термометра может происходить через конвекцию, лучеиспускание и теплопроводность. Теплообмен через конвекцию имеет место при измерении температуры жидкости и газов. Если среда, в которой измеряется температура, ограничена стенками, то вследствие прозрачности жидкости и газов теплообмен между стенками и чувствительным элементом будет происходить также и через лучеиспускание. Наконец, при измерении температуры твердых тел передача теплоты к чувствительному элементу происходит в основном через теплопроводность.
Количественные характеристики теплообмена между средой с температурой 0 (или Тс - абсолютной температурой стенки) и чувствительным элементом с температурой (или Т) конвекцией, излучением или теплопроводностью определяются формулами:
, (7)
где б - коэффициент конвективного теплоперехода, зависящий от скорости обтекания чувствительного элемента и меняющийся от 3·10-7 до 5·10-5 Дж/см оС; F- площадь соприкосновения чувствительного элемента со средой; с - коэффициент теплоизлучения, равный для абсолютного черного тела 5,709·10-7 Дж/см2 0К4; л - коэффициент теплопроводимости; - толщина тонкого слоя, отделяющего чувствительный элемент от твердой стенки, температуру которой измеряют.
Из выражений (7) видно, что для улучшения теплообмена между средой и чувствительным элементом необходимо увеличивать площадь соприкосновения F, а при измерении температуры газов и жидкостей следует увеличивать коэффициент теплопередачи путем увеличения скорости обдувания.
При измерении температуры газов, движущихся с большими скоростями, особое значение приобретает переход кинетической энергии газов в тепловую энергию в местах торможения потока. Известно, что если Т - температура затормороженного потока и С - статистическая температура, которая была бы замерена прибором, движущимся вместе с газом со скоростью V, то имеет место соотношение:
, (8)
где J - механический эквивалент тепла; cр - теплоемкость при постоянном давлении; g - ускорение силы тяжести.
Из соотношения (8) видно, что чем больше скорость движения, тем больше разность Т - С. При V=300 м/с эта разность составляет 44°С.
Если чувствительный элемент термометра погружается в газовый поток, то на поверхности элемента будет иметь место неполное торможение потока, поэтому температура чувствительного элемента будет меньше температуры заторможенного потока и больше статистической температуры. Степень отклонения температуры чувствительного элемента от температуры Т, определяемая конструктивными формами прибора, оценивается коэффициентом торможения: