Оптоэлектронные датчики - Козлов В.Л.
Скачать (прямая ссылка):
Благодаря многообразию свойств веществ и физических явлений, зависящих от температуры, было создано большое количество методов измерений: оптические методы, основанные на изменении спектрального распределения испускаемого излучения или уширения спектральных линий вследствие эффекта Доплера, обусловленного тепловым движением молекул; электрические методы, основанные на зависимости от температуры сопротивления или его собственного шума, на эффекте Зеебека или на зависимости частоты колебаний кварцевого кристалла от температуры. При использовании оптических методов измерение температуры не вносит в объект никаких возмущений, но область их применения ограничена, и осуществление измерений этими методами связано с определенными трудностями. Электрические методы имеют широкую область применения и сравнительно просто реализуются, но взаимное влияние датчика и исследуемой среды часто при выполнении точных измерений ставит трудную задачу по определению отличия измеряемой температуры от фактически измеренной, которая является температурой датчика.
3.1. Шкалы температур
Физические свойства материалов зависят от их температуры, поэтому всегда возможно по изменениям одного из физических параметров данного материала в зависимости от температуры определить шкалу, кото-
24
рая позволяет сравнивать температуры и некоторым способом устанавливать равенство двух температур. Однако такая шкала оказывается абсолютно произвольной, поскольку она основана на определенном свойстве данного материала, что не позволяет определять значение температуры и не решает проблемы ее измерения. Только законы термодинамики позволяют определить шкалы температур, имеющие универсальное значение[2,4].
Термодинамические, или абсолютные шкалы температур. Они однозначно определяются исходя из теоремы Карно или свойств идеального газа. Согласно теореме Карно, коэффициент полезного действия (к. п. д.) П тепловой машины с обратимым циклом, температура рабочего тела которой в процессе цикла, меняется в пределах между значениями, выраженными изначально в произвольной шкале и равными 01 и 02 зависит
лишь от 01 и 02: п = 1 — F(0j)/F(02) (23)
Вид функции F зависит от выбора шкалы температур, по которой определяется 0 , и, наоборот, выбор функции F определяет шкалу температур. Абсолютную термодинамическую температуру Т определяют, полагая F (0) = Т . В этом случае к. п. д. обратимой тепловой машины записывается в виде:
П = 1 — VT, (24)
где Т1 и Т2 - абсолютные термодинамические температуры двух источников тепла.
Чтобы определить числовое значение температуры Т, необходимо выбрать для нее единицу измерения. Для этого достаточно произвольно установить значение температуры, соответствующей четко определенному и воспроизводимому явлению.
Шкала Кельвина. Единица измерения кельвин (К) определяется из того условия, что температура воды в тройной точке (температура равновесия воды, льда и пара) равна 273,16 K.
Шкала Рэнкина. Единица измерения - градус Рэнкина (°R) - равен 5/9 кельвина; при таком определении температура в тройной точке воды равна 491,69°R.
Производные шкалы от термодинамических шкал. Посредством простого смещения нуля термодинамической шкалы можно получить новые шкалы температур, не являющиеся абсолютными, но с такой же единицей измерения, как у исходной абсолютной шкалы.
Шкала Цельсия. Она получается из абсолютной шкалы Кельвина, если за нуль принять температуру замерзания воды; единица измерения этой шкалы - градус Цельсия (°С) - равна одному кельвину:
25
T(°C) = T(K) - 273,16 Шкала Фаренгейта. Эта шкала получается смещением нуля абсолютной шкалы Рэнкина; единица измерения - градус Фаренгейта (°F) - равна одному градусу Рэнкина:
T(°F) = T(°R) - 459,67.
Формулы перехода от одной шкалы к другой имеют следующий, вид:
T(°C) = [T(°F) - 32] (5/9), T(°F) = (9/5) T(°C) + 32.
Таблица 3
Шкалы и некоторые важные значения температур:
Тем- перту- ры Шкалы температур
Кельвина, К Цельсия Рэнкина, °R Фаренгейта, F
°С (до 1990 г.) t90/°C (после 1990 г.)
1. 0 -273.15 -273.15 0 -459.67
2. 273.15 0 0 491.67 32
3. 273.16 0.01 0.01 491.67 32.018
4. 373.15 100 99.974 671.974 212
- абсолютный нуль; 2- температура равновесия смеси воды и льда при нормальном атмосферном давлении; 3- тройная точка воды; 4- температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении.
В качестве примера в табл. 3 приведены соответствующие значения нескольких важных температур для различных шкал.
3.2. Измеренная и измеряемая температуры
Температура Тс, измеренная с помощью резистора или термопары, фактически является температурой датчика. Она, конечно, зависит от температуры Tx среды, в которую погружен датчик, но также и от существующего теплообмена. При формулировании упрощенной модели процесса измерения предполагается, что в условиях измерений погрешность Tx - Тс мала.
3.3. Термометры сопротивления
Чувствительность к температуре. Обычно величина электрического сопротивления материала зависит от его температуры Т [2]:
R(T) = RF(T - To) (25)
где Ro - сопротивление при температуре Т0, а функция F является характеристикой материала и равна 1 при T = T0. Так, для металлов
