Измерительные приборы в электрических измерениях, страница 12

Рис. 3.17. Удлинение измерительного контакта АВ посредством компенсационного кабеля  и компенсация температуры эталонного контакта с помощью мостовой схемы.

Конечно, температурная чувствительность эталонного контакта должна быть противоположна той, какой обладает мостовая схема. Часто однако, особенно при необходимости одновременно определять температуру большого числа объектов, измеряется абсолютная температура эталонного контакта. Все эталонные контакты в этом случае размещаются вместе в одном эталонном блоке. Температура этого блока измеряется, например, с помощью датчика в интегральном исполнении (ИС). Эта температура добавляется к разностям температур, измеряемым с помощью отдельных термопар. Объект, температура которого измеряется активным контактом АВ, чаще всего расположен на некотором расстоянии от остальной схемы. Металл в составе контакта термопары обычно слишком дорог, чтобы использовать его в качестве длинного соединительного провода, поэтому для соединения применяют два провода А'В' из более дешевого металла. При этом не будут добавляться ошибки, если два провода А' и В' имеют те же самые термоэлектрические характеристики, что и оба провода А и В, входящие в состав измерительного контакта. Можно отметить, что в случае, когда два (других) металлических проводника соединены последовательно с двумя контактами термопары, как в схеме на рис. 3.17, то образующиеся новые контакты не будут вносить дополнительной разности потенциалов, если эти контакты поддерживаются при одинаковой температуре (в условиях изотермии). Потенциалы дополнительных контактов будут компенсировать друг друга. Наличие разности температур между этими новыми контактами вызовет ошибку измерения. Кабель, соединяющий два контакта термопары и имеющий те же самые термоэлектрические характеристики, называется компенсационным кабелем.

Применяя термопары для измерений температуры, следует принять во внимание ряд самых распространенных источников погрешностей. За время, которое существуют термопары, для них было создано несколько сплавов, каждый для своего специфического применения. Эти сплавы вполне доступны в виде проволоки и имеют высокую степень чистоты, однородности и т. д. для того, чтобы можно было воспользоваться стандартизованными коэффициентами данного сплава а₁, ,а_n. Термоконтакт может быть осуществлен простой пайкой при условии, что в направлении поперек спайки отсутствует температурный градиент. Фактически пайка вводит третий металл между двумя исходными материалами термопары, но он имеет ту же самую (измеряемую) температуру и поэтому не вносит дополнительной термоэдс. В случае применения термопар при высоких температурах они должны быть изготовлены с помощью точечной сварки (используется разряд конденсатора через контакт, образованный сжатыми вместе проводами). Свойства термопары могут дрейфовать из-за диффузии газов в металле, особенно при высоких температурах. Кроме того, если вдоль провода термопары имеется большой температурный градиент, то в этом проводе при наличии неоднородностей и недостаточной чистоте может появиться собственная термоэдс. Поэтому термопары бывают изготовлены из тонкой и дорогой проволоки. В результате время теплового переходного процесса уменьшается, но зато увеличивается последовательное сопротивление. Поэтому ток через термопару, обусловленный сопротивлением утечки, приведет к тому, что другие эффекты, рассмотренные выше, станут оказывать свое влияние. Наконец, гальванические напряжения, вызванные влажностью и коррозией, могут стать в несколько сот раз больше напряжения Зеебека!

Термометры излучения

Термометр излучения поглощает часть инфракрасного излучения, испускаемого объектом измерения. Термометр для высоких температур обычно называют пирометром (от греч. Руr– огонь). Обычно излучение фокусируется непосредственно на тепловом детекторе с помощью вогнутого зеркала (как показано на рис. 3.18(а)). Если температура объекта измерения более низкая, чем у детектора, то детектор будет источником тепловой энергии, отдаваемой объекту, сам при этом охлаждаясь. Поскольку линзы, хорошо пропускающие тепловое излучение (теплопрозрачные инфракрасные линзы), очень дороги, избегают их применения, особенно при низких температурах. В частности, длинноволновое инфракрасное излучение, очень сильно поглощается большинством материалов. Например, кусок стекла толщиной 2 мм поглотит 50% инфракрасного излучения с длиной волны 2 мкм. 2-миллиметровый слой плавикового шпата (CaF₂) поглощает 50% излучения с длиной волны 7 мкм, а в 2-миллиметровом кристаллическом йодистом цезии поглощается 50% излучения с длиной волны 70 мкм. Такие материалы трудно обрабатывать, часто они не водостойки и т. д.

Как показано на рис. 3.18(а), расстояние от объекта измерения до пирометра не имеет значения, поскольку в каждом положении объекта А и С он отдает одно и то же тепловое излучение пирометру, если его поверхность полностью охватывается углом раскрыва θ. Мощность излучения точечного источника обратно пропорциональна квадрату расстояния, а площадь обозреваемой поверхности увеличивается пропорционально квадрату расстояния, так что в случае, когда угол обзора пирометра полностью покрывает (изотермический) объект, суммарный результат измерения будет одним и тем же.

Рис. 3.18. (а) Оптическая структура термометра инфракрасного излучения, согласующая тепловой детектор с объектом измерения. (b) Упрощённое представление спектральной чувствительности S(Il) квантового и теплового детекторов.

Если объект излучает равномерно во всех направлениях (так называемый излучатель Ламберта), то энергия излучения, которую получает детектор, не будет изменяться даже в том случае, когда поверхность такого измеряемого объекта находится под углом α (при условии, что α ≠ 0⁰ или 180⁰ ) к оси

пирометра.