История и развитие средств измерений

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ИГЭУ им. В. И. Ленина»

 

Кафедра: систем управления

 

 

 

 

«История и развитие средств измерений»

 

Дисциплина: Метрология, стандартизация и сертификация

 

 

 

 

 

Выполнил:

Студент гр. 3-43**

Ворошин Д.А.

 

Проверил:

к.т.н. Давыдов В.В.

 

 

 

Иваново 2011г.

Содержание:

1. Введение..........................................................................................................3
2. История средств измерений, температурные шкалы..................................3
3. Международная практическая температурная шкала.................................5
4. Термоэлектрические преобразователи, термопары.....................................7
5. Термометры...................................................................................................12
6. Измерение и средства измерения высоких температур............................22
7. Заключение по работе..................................................................................30
8. Используемая литература............................................................................30

 

Введение:

 

С давних времен и по сей день измерение, каких либо величин играет огромную роль во всех сферах жизнедеятельности человека. Поэтому я хотел бы привести некоторые моменты истории создания и развития средств измерений, а так же раскрыть, как положительные, так и отрицательные стороны рассматриваемых устройств. Затем, я раскрою в более широком смысле измерение в области высоких температур, а так же используемые при этом средства измерения.

 

История развития средств измерений:

 

Для того что бы понять о чем будет идти речь дальше, нужно обратиться к самому основному понятию, что же такое измерение? Измерение — совокупность операций для определения отношения одной (измеряемой) величины к другой однородной величине, принятой за единицу, хранящуюся в техническом средстве (средстве измерений). Теперь, когда стало понятно, что же такое измерение, следует сказать, что изначально, для определения измеренной величины использовались шкалы, некоторые из которых дожили и до сегодняшнего дня, поэтому здесь я остановлюсь более подробно.

Температурные шкалы. Существует несколько градуированных температурных шкал, и за точки отсчета в них обычно взяты температуры замерзания и кипения воды. Сейчас самой распространенной в мире является шкала Цельсия. В 1742 шведский астроном Андерс Цельсий предложил 100-градусную шкалу термометра, в которой за 0 градусов принимается температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении, а за 100 градусов - температура таяния льда. Деление шкалы составляет 1/100 этой разницы.  Когда стали использовать термометры, оказалось удобнее поменять местами 0 и 100 градусов. Возможно, в этом участвовал Карл Линней (он преподавал медицину и естествознание в том же Упсальском университете, где Цельсий - астрономию), который еще в 1838 году предложил за 0 температуры принять температуру плавления льда, но, похоже, не додумался до второй реперной точки.  К настоящему времени шкала Цельсия несколько изменилась: за 0°C по-прежнему принята температура таяния льда при нормальном давлении, которая от давления не очень зависит. Зато температура кипения воды при атмосферном давлении теперь равна 99,975°C, что не отражается на точности измерения практически всех термометров, кроме специальных прецизионных.

Известны также температурные шкалы Фаренгейта, Кельвина, Реомюра и др. Температурная шкала Фаренгейта (во втором варианте, принятом с 1714 г.) имеет три фиксированные точки: 0° соответствовал температуре смеси воды, льда и нашатыря, 96° – температуре тела здорового человека (под мышкой или во рту). В качестве контрольной температуры для сверки различных термометров было принято значение 32° для точки таяния льда. Шкала Фаренгейта широко распространена в англоязычных странах, но ею почти не пользуются в научной литературе. Для перевода температуры по Цельсию (°С) в температуру по Фаренгейту (°F) существует формула °F = (9/5)°C + 32, а для обратного перевода – формула °C = (5/9)(°F-32). Обе шкалы – как Фаренгейта, так и Цельсия, – весьма неудобны при проведении экспериментов в условиях, когда температура опускается ниже точки

замерзания воды и выражается отрицательным числом. Для таких случаев были введены абсолютные шкалы температур, в основе которых лежит экстраполяция к так называемому абсолютному нулю – точке, в которой должно прекратиться молекулярное движение. Одна из них называется шкалой Ранкина, а другая – абсолютной термодинамической шкалой; температуры по ним измеряются в градусах Ранкина (°Rа) и кельвинах (К). Обе шкалы начинаются при температуре абсолютного нуля, а точка замерзания воды соответствует 491,7° R и 273,16 K. Число градусов

и кельвинов между точками замерзания и кипения воды по шкале Цельсия и

абсолютной термодинамической шкале одинаково и равно 100; для шкал Фаренгейта и Ранкина оно тоже одинаково, но равно 180. Градусы Цельсия переводятся в кельвины по формуле K = °C + 273,16, а градусы Фаренгейта – в градусы Ранкина по формуле °R = °F + 459,7. в Европе долгое время была распространена шкала Реомюра, введённая в 1730 г Рене Антуаном де Реомюром. Она построена не произвольным образом, как шкала Фаренгейта, а в соответствии с тепловым расширением спирта (в отношении 1000:1080). 1 градус Реомюра равен 1/80 части температурного интервала между точками таяния льда (0°R) и кипения воды (80°R), т. е. 1°R = 1.25°С, 1°C = 0.8°R., но в настоящее время вышла из употребления. После введения Международной системы единиц (СИ) к применению рекомендованы две температурные шкалы. Первая шкала - термодинамическая, которая не зависит от свойств используемого вещества (рабочего тела) и вводится посредством цикла Карно. Единицей измерения температуры в этой температурной шкале

является один кельвин (1 К) - одна из основных единиц в системе СИ. Эта

единица названа в честь английского физика Уильяма Томсона (лорда Кельвина), который разрабатывал эту шкалу и сохранил величину единицы измерения температуры такой же, как и в температурной шкале Цельсия. Вторая рекомендованная температурная шкала - международная практическая. Эта шкала имеет 11 реперных точек - температуры фазовых переходов ряда чистых веществ, причём значения этих температурных точек постоянно уточняются. Единицей измерения температуры в международной практической шкале также является 1 К. В настоящее время основной реперной точкой, как термодинамической шкалы, так и международной практической шкалы температур является тройная точка воды. Эта точка соответствует строго определенным значениям температуры и давления, при которых, вода может одновременно существовать в твердом, жидком и

газообразном состояниях. Причем, если состояние термодинамической системы определяется только значениями температуры и давления, то тройная точка может быть только одна. В системе СИ температура тройной точки воды принята равной 273.16 К при давлении 609 Па. Кроме задания реперных точек, определяемых с помощью эталона температуры, необходимо выбрать термодинамическое свойство тела, описывающееся физической величиной, изменение которой является признаком изменения температуры или термометрическим признаком. Это свойство должно быть достаточно легко воспроизводимо, а физическая величина - легко измеряемой. Измерение указанной физической величины позволяет получить набор температурных точек (и соответствующих им значений температуры), промежуточных по отношению к реперным точкам.

 

Международная практическая температурная шкала:

 

При проектировании термодинамической шкалы было установлено, что термодинамическая температура совпадает с показанием газового термометра, заполненного идеальным (воображаемым) газом, обладающим пропорциональным изменением давления от температуры, и, таким образом, в дальнейшем, с помощью газовых термометров была построена, так называемая, Международная практическая температурная шкала (МПТШ), легко и точно воспроизводимая и близкая к термодинамической шкале. МПТШ была принята на VII Генеральной конференции по мерам и весам в 1927 г. Это вызывалось необходимостью облегчить измерение температуры с помощью газовой термометрии и унифицировать существующие в разных странах температурные шкалы. Международная практическая температурная шкала была уточнена в 1948 г., а в 1960 г. изложена в новой редакции, принятой на XI Генеральной конференции по мерам и весам, где получила название Международной практической температурной шкалы 1948 г. (МПТШ-48). Позднее появились две важные причины для пересмотра МПТШ-48, первая из которых заключалась в необходимости расширения шкалы в области низких температур (10 - 90 К), а вторая - в повышении ее точности, так как современные измерения с помощью газовых термометров показали, что МПТШ-48 дает в основном более низкие значения по сравнению с термодинамической шкалой. Исходя из указанных причин Международный комитет мер и весов в 1968 г. в соответствии с решением XIII Генеральной конференции по мерам и весам (1967 г.) принял новую Международную практическую температурную шкалу 1968 г. (МПТШ-68), градусы которой обозначаются знаком °С (градус Цельсия), а условное значение температуры - буквой t. Для этой шкалы градус Цельсия равен кельвину. МПТШ-68 основана на значениях температур ряда воспроизводимых состояний равновесия между фазами чистых веществ. Равновесие фаз некоторых из этих веществ и их определяющие реперные точки с присвоенными значениями температур приведены в таблице 1:

Таблица 1

Для определения промежуточных температур между реперными точками служат интерполяционные формулы устанавливающие соотношение между значениями МПТШ-68 и показаниями эталонных приборов, градуированных по этим точкам. Обычно градуировку производят по точкам затвердевания вещества, так как в этом случае, даже если последнее частично загрязнено примесями, температура его близка к точке плавления чистого вещества. В настоящее время действует МПТШ – 90, включающая в себя, 17 реперных точек в диапазоне температур от – 270,15 до +1084,62 градусов Цельсия.

 

Термоэлектрические преобразователи, термопары:

 

Теперь хотелось бы рассмотреть то, без чего нельзя и представить себе современное измерение температуры в промышленных масштабах, а именно термопары.

Принцип работы термопары.

Еще в 1821 г. Зеебеком было открыто явление, названное его именем, заключающееся в том, что в состоящей из разных проводниковых материалов замкнутой цепи появляется э. д. с. (так называемая термо-э. д. с), если места контакта этих материалов поддерживаются при разных температурах.

В простейшем виде, когда электрическая цепь состоит из двух различных проводников, она носит название термоэлемента, или термопары.

Сущность явления Зеебека заключается в том, что энергия свободных электронов, обусловливающих возникновение электрического тока в проводниках, различна и по-разному изменяется с температурой. Поэтому если вдоль проводника имеется перепад температур, на его горячем конце электроны будут иметь большие энергии и скорости по сравнению с холодным, что обусловит возникновение в проводнике потока электронов от горячего конца к холодному. В результате на обоих концах будут накапливаться заряды — отрицательный на холодном и положительный на горячем.

Так как у разных проводников эти заряды различны, то при соединении двух из них в термоэлемент появится разностная термо-э. д. с. . Для анализа проходящих в термоэлементе явлений удобно считать, что образующаяся в нем термо-э. д. с. Е является суммой двух контактных электродвижущих сил е, возникающих в местах их контакта и являющихся функцией температуры этих контактов (рис. 1,а).

Рис. 1.

Схема термоэлектрической цепи из двух и трех проводников, схема включения электроизмерительного прибора в спай и термоэлектрод термопары.

 

Термоэлектродвижущая сила, возникающая в цепи из двух разнородных проводников, равна разности электродвижущих сил на их концах.

Из этого определения следует, что при равенстве температур на концах термоэлемента его термо-э. д. с. будет равна нулю. Отсюда может быть сделан чрезвычайно важный вывод, обусловливающий возможность использования термопары, как датчика для измерения температуры.

Электродвижущая сила термопары не изменится от введения в ее цепь третьего проводника, если температуры на его концах будут одинаковыми.

Этот третий проводник может быть включен как в один из спаев, так и в разрез одного из проводников (рис. 1,6,в). Этот вывод может быть распространен и на несколько проводников, вводимых в цепь термопары, лишь бы температуры на их концах были одинаковы.

Поэтому в цепь термопары можно включить измерительный прибор (также состоящий из проводников) и ведущие к нему соединительные провода, не вызвав изменения развиваемой ею термо-э. д. с, если только температуры точек 1 и 2 или 3 и 4 (рис. 1, г и д) будут равны. При этом температура этих точек может отличаться от температуры на выводах прибора, но температура обоих выводов должна быть одинакова.

Если сопротивление цепи термопары будет оставаться неизменным, то проходящий в ней ток (а следовательно, и показание прибора) будет зависеть только от развиваемой ею термо-э. д. с, т. е. от температур рабочего (горячего) и свободного (холодного) ее концов.

Далее, если поддерживать неизменной температуру свободного конца термопары, показание прибора будет зависеть только от температуры рабочего конца термопары. Такой прибор будет показывать непосредственно температуру рабочего спая термопары.

Таким образом, термоэлектрический пирометр состоит из термопары (термоэлектродов), электроизмерительного прибора постоянного тока и соединительных проводов.

Из вышесказанного можно сделать следующие выводы:

1. Способ изготовления рабочего конца термопары (сварка, пайка, скрутка и т. д.) не влияет на развиваемую ею термо-э. д. с, если только размеры рабочего конца таковы, что температура во всех его точках одинакова.

2. Так как параметром, измеряемым  прибором, является не термо- э. д. с, а ток цепи термопары, не  обходимо, чтобы сопротивление цепи  в эксплуатации оставалось неизменным  и равным его значению при  градуировке. Но так как осуществить  это практически невозможно потому, что сопротивление термоэлектродов  и соединительных проводов меняется  с изменением температуры, возникает  одна из принципиальных погрешностей  метода: погрешность от несоответствия  сопротивления схемы ее сопротивлению  при градуировке.

Для уменьшения этой погрешности приборы для тепловых измерений выполняются высокоомными (50—100 Ом при грубых измерениях, 200—500 Ом при более точных) и с малым температурным электрическим коэффициентом, с тем чтобы суммарное сопротивление схемы (а следовательно, и связь между током и термо-э. д. с.) менялось в минимальной степени при колебаниях окружающей температуры.

3. Термоэлектрические пирометры градуируются  всегда при вполне определенной  температуре свободного конца  термопары — при 0°С. Обычно в  работе эта температура отличается  от градуировочной, в результате  этого возникает вторая принципиальная погрешность метода: погрешность на температуру свободного конца термопары.