Лабораторна робота №

Калібрування і повірка термометрів опору

Мета роботи

Ознайомлення з принципом, застосуванням і конструктивними особливостями пристроїв для вимірювання температури. Засвоїти методику отримання практичних навиків при проведенні досліджень динамічних характеристик термометрів опору при нагріванні і охолодженні, повірці термометрів опору та калібруванні напівпровідникових термометрів опору (термісторів).

Програма роботи

Під час заняття студент повинен ознайомитись з будовою та принципом дії термометрів опору. Визначити динамічну похибку термометрів опору типу ТСП і ТСМ. Дослідити динамічний режим роботи ТОМ і ТОП. Провести калібрування напівпровідникового термістора. За отриманими даними здійснити обробку результатів досліджень, представити результати і висновки.

6.3 Основні теоретичні положення, необхідні для виконання роботи. Опис схеми устаткування

Температура — один з найважливіших параметрів фізичних процесів, разом з тиском і об’ємом характеризує термодинамічний стан об'єкта, пов’язана з його внутрішньою енергією і має безумовний вплив на його фізичні властивості. Вимірювання температури в нафтогазовій галузі може здійснюватися при обробці призабійної зони свердловини, переробці, транспортуванні і обліку нафти і газу. Діапазон і умови вимірювання контрольованих температур надзвичайно різноманітні, що обумовлюють багаточисельність і різноманітність методів і засобів температурних вимірювань. В практиці вимірювань температури використовують термодинамічну шкалу з одиницею вимірювання — градус Кельвіна (К) і міжнародну практичну температурну шкалу з одиницею вимірювання — градус Цельсія (?С) [5].

Можливість вимірювання температури базується на явищах теплообміну і передачі тепла між різноманітними тілами. В залежності від наявності або відсутності контакту термочутливого елемента і об'єкта дослідження можна класифікувати контактні і безконтактні методи і засоби вимірювань. В залежності від механізму передачі енергії від об’єкта до термоперетворювача методи і засоби вимірювання (ЗВ) температури класифікують на термометричні, пірометричні, електростатичні. В нафтогазовій галузі найпоширеніші термометричні ЗВ, в яких енергообмін, в основному, здійснюється шляхом теплопровідності і конвенції. Вимірювальні засоби базуються на зміні фізичних властивостей різних речовин в залежності від зміни температури. Така функціональна залежність покладена в основу ЗВ температури і визначає принцип вимірювання.

По принципу дії в практиці вимірювань температури використовуються ЗВ, основані на вимірюванні:

Контактні термометри розширення (І група — дилатометричні і біметалеві; рідинні) найбільш розповсюджений тип термометрів з граничною температурою вимірювань 500-1000?С. Термометри другої групи (рідинні, газові, конденсаційні) широко використовуються для вимірювання температур до 500?С. Однак, суттєвим недоліком цих термометрів є неможливість передачі і обробки вимірювальної інформації в системах. В інформаційно-вимірювальних системах, робочим параметром в яких є температура, що змінюється в широкому робочому діапазоні (до 2000?С), підвищених вимогах до точності і динамічних властивостей робочого об'єкта використовують термоелектричні термометри (термопари). Пірометри випромінювання застосовують в області високих температур (від 500?С і вище).

Точність вимірювання температури є невелика, так при визначенні фундаментальних фізичних констант похибка вимірювання температури – 10-2-10-4%. Промислові засоби вимірювання температури забезпечують похибку вимірювань 0.5-1% і більше.

Контактні методи і ЗВ застосовуються для вимірювання температур в діапазоні від значень, близьких до абсолютного нуля до 1500?С, в багатьох випадках при цьому використовують термометри опору (ТО). В основі вимірювань з допомогою ТО лежить властивість провідників і напівпровідників змінювати свій електричний опір при зміні температури досліджуваного об'єкта, причому провідники (метали) свій опір збільшують, а напівпровідники навпаки — зменшують при збільшенні власної температури. В більшості випадків для чистих металів збільшення опору становить 0.4-0.6% на 1?С. Напівпровідникові термометри опору (термістори або терморезистори) можуть бути як з додатнім, так і з від'ємним температурним коефіцієнтом опору (ТКО) і виготовляються з кристалів напівпровідника (НП) (в основному — германію). Функціональна залежність електричного опору НП від температури — експоненціальна. Характерним для термісторів є невеликий робочий інтервал температур, недостатня лінійність і велика чутливість, що обумовлює їх застосування без додаткового підсилення як в лабораторних дослідженнях, так і у виробничій практиці; коливання опору терморезисторів становить від 1 кОм до 1 МОм, а це дозволяє знехтувати опором з'єднювальних провідників, однак необхідно врахувати складність у їх виготовленні.

Характерним для термісторів є індивідуальна нестабільність їх параметрів і характеристики, тому при їх використанні немає стандартних таблиць калібрування. При застосуванні термістора для вимірювання температури необхідне визначення індивідуальної калібрувальної таблиці, або характеристики, для чого з допомогою еталонних засобів визначається відповідність активного опору і значення температури через певні проміжки в межах робочого діапазону. Таким чином, при застосуванні термісторів важливе розуміння і навики визначення функціональної залежності Rt=f(t), так і її застосування в практиці вимірювань.

До металу — чутливого елемента ТО визначені слідуючі вимоги: хімічна стійкість; велика чутливість по ТКО; великий питомий електричний опір; лінійність вихідної характеристики, виходячи з цього найпоширенішими матеріалами в ТО є платина, мідь, нікель, залізо. Вказані метали мають стабільну функціональну залежність опору провідника від його температури — Rt=f(t), тому здійснивши вимірювання електричного опору з допомогою вторинного ЗВ (в основному мостового) з допомогою калібрувальної характеристики можна визначити температуру ТО, а значить і об’єкта.

Функціональна залежність Rt=f(t) для термометрів опору визначається експериментально (через складність аналітичного визначення) і є основою для визначення температури об’єкта. В залежності від необхідних умов (термоперетворювач, діапазон, точність) при цьому може використовуватись або калібрувальна таблиця, або поліноміальна апроксимація. Степінь апроксимуючого поліному також в великій мірі залежить від цих факторів. Для ТОП і ТОМ при невеликому діапазоні (приблизно до 100С) і невеликих вимогах