Разработка автономного промышленного измерителя температуры

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ФГБОУ ВО «АНГАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 
ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Факультет технической кибернетики
Полное наименование факультета
Кафедра Промышленной электроники и информационно-измерительной техники
Полное наименование выпускающей кафедры

ДОПУСКАЮ К ЗАЩИТЕ
Заведующий кафедрой 
____________     Эльхутов С.Н.
 	подпись		Фамилия И.О.
 «____»_______________2017 г. 


ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

Разработка автономного промышленного измерителя температуры
Тема по приказу

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

___________________ПЗ
Шифр документа

Разработал обучающийся


группы ЭН-13-1

Томилова Н.А.

подпись
Фамилия И.О.
Руководитель ВКР

Эльхутов С.Н.

подпись
Фамилия И.О.
Консультанты

Воронова Т.С.

подпись
Фамилия И.О.


Дударева К.А.

подпись
Фамилия И.О.


Дугар-Жабон Р.С.

подпись
Фамилия И.О.




подпись
Фамилия И.О.




подпись
Фамилия И.О.




подпись
Фамилия И.О.
Нормоконтроль

Пудалов А.Д.

подпись
Фамилия И.О.


Ангарск, 2017 г.

АНГАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

	Факультет технической кибернетики			Кафедра ПЭ и ИИТ	
      
      
      УТВЕРЖДАЮ
      Декан				
      		(подпись, печать)
      
ЗАДАНИЕ

На выпускную квалификационную работу (ВКР) студенту	Томиловой Надежде Андреевне	 								группы 	ЭН-13-1	
1. Тема проекта 	Разработка автономного промышленного измерителя температуры												
Утвержден приказом по академии от 20.	12. 2016	 г. № 	206-С				
2. Срок исполнения студентом законченной ВКР в ГЭК «		»	июня	2017 г.
3. Исходные данные: 	Провести литературный обзор методов неразрушающего контроля, методов измерения температуры и основных типов датчиков температуры. Разработать структурную схему автономного промышленного измерителя температуры, провести выбор элементной базы. Разработать принципиальную схему устройства.								
4. Содержание расчетно-пояснительной записки:
1) Литературный обзор										
2) Разработка структурной схемы и выбор элементной базы				
3) Разработка принципиальной схемы								
4) Расчёт надёжности									 		
5) Безопасность жизнедеятельности								
6) Экономическое обоснование выпускной квалификационной работы			
5. Перечень графического материала (с указанием обязательных чертежей):
1)	ПРИЛОЖЕНИЕ А (обязательное) Области применения методов неразрушающего контроля	
2)	ПРИЛОЖЕНИЕ Б (обязательное) Структурная схема измерителя температуры	
3) 	ПРИЛОЖЕНИЕ В (рекомендуемое) Таблицы по выбору элементной базы	
4) 	ПРИЛОЖЕНИЕ Г (обязательное) Автономный промышленный измеритель температуры - Схема электрическая принципиальная					
5) 	ПРИЛОЖЕНИЕ Д (обязательное) Смета единовременных затрат на создание автономного промышленного измерителя температуры					
Дата выдачи задания			8. 02. 2017г.						

Руководитель ВКР			Эльхутов С.Н.						
						Фамилия И. О.			(подпись, дата)

Заведующий кафедрой		Эльхутов С.Н.						
						Фамилия И. О.			(подпись, дата)

Задание принял к исполнению	Томилова Н.А.						
						Фамилия И. О.			(подпись, дата)

План выполнил 				полностью							
						(полностью, не полностью)

Руководитель ВКР					«	»				г.	
					(подпись)				(дата)



    РЕФЕРАТ
     
     
     Выпускная квалификационная работа посвящена разработке автономного промышленного измерителя температуры. 
     Работа состоит из шести разделов.
     Первый раздел посвящён рассмотрению методов неразрушающего контроля, методов измерения температуры, а также основных типов полупроводниковых датчиков температуры. 
     Второй раздел посвящён разработке структурной схемы и выбору элементной базы устройства.
     В третьем разделе проведена разработка принципиальной схемы.
     В четвёртом разделе рассчитана надежность всей схемы автономного измерителя температуры и количество часов на отказ.
     В пятом разделе приведены требования по охране труда и произведен расчет освещения.
     В шестом разделе проведено экономическое обоснование выпускной квалификационной работы, рассчитаны затраты на материалы, заработную плату и электроэнергию.
     Пояснительная записка состоит из 91 страницы, 5 приложений, 18 рисунков и 14 таблиц.
     


	
СОДЕРЖАНИЕ


РЕФЕРАТ	4
ВВЕДЕНИЕ	8
1 Литературный обзор	10
1.1 Методы неразрушающего контроля	10
1.1.1 Акустический метод	11
1.1.2 Магнитный метод	13
1.1.3 Оптический метод	14
1.1.4 Контроль проникающими веществами	15
1.1.5 Радиационный метод	16
1.1.6 Радиоволновой метод	17
1.1.7 Тепловой метод	18
1.1.8 Электрический метод	19
1.1.9 Вихретоковый метод	20
1.2 Методы измерения температуры	22
1.2.1 Метод измерения температуры термометрами расширения	22
1.2.2 Метод измерения температуры манометрическими термометрами	23
1.2.3 Метод измерения температуры термометрами сопротивления	24
1.2.4 Измерение температуры термопарой	25
1.2.5 Метод измерения температуры пирометрами излучения	27
1.2.6 Метод измерения температуры терморезисторами	28
1.3 Основные типы полупроводниковых датчиков температуры	30
1.3.1 Датчики температуры на основе диодов и транзисторов	30
1.3.2 Датчики температуры на основе терморезисторов	32
1.3.3 Пленочные полупроводниковые датчики температуры	34
1.4 Промышленные измерители температуры	35
2 Разработка структурной схемы и выбор элементной базы	38
2.1 Выбор элементной базы	39
2.1.1 Выбор датчика температуры	39
2.1.2 Выбор индикатора	41
2.1.3 Выбор кнопок	42
2.1.4 Выбор микроконтроллера	44
2.2 Предварительный расчёт энергопотребления схемы	45
3 Разработка принципиальной схемы	47
3.1 Подключение индикатора к микроконтроллеру	47
3.2 Подключение датчика температуры к микроконтроллеру	49
3.3 Подключение кнопок к микроконтроллеру	49
3.4 Подключение преобразователя к микроконтроллеру	50
4 Расчёт надежности	51
4.1 Цель расчета надежности	51
4.2 Исходные данные для расчета надежности	51
4.3 Методика расчета надежности	51
4.4 Заключение	56
5 Безопасность жизнедеятельности	57
5.1 Характеристика вредных и опасных производственных факторов	58
5.2 Производственная санитария	59
5.2.1 Вредные вещества	59
5.2.2 Освещение	61
5.2.3 Расчёт производственного освещения	62
5.2.4 Расчёт площади световых проемов	63
5.2.5 Расчёт искусственного освещения	64
5.2.6 Шум и вибрация	65
5.3 Техника безопасности	66
5.4 Электробезопасность	67
5.5 Пожарная безопасность	69
6 Экономическое обоснование выпускной квалификационной работы	70
6.1 Расчет себестоимости промышленного измерителя температуры	70
ЗАКЛЮЧЕНИЕ	77
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ	78
ПРИЛОЖЕНИЕ А (обязательное) Области применения методов неразрушающего контроля……………………………………………………………………81
ПРИЛОЖЕНИЕ Б (обязательное) Структурная схема измерителя  температуры……………………………………………………………………………….84
ПРИЛОЖЕНИЕ В (рекомендуемое) Таблицы по выбору элементной базы…85
ПРИЛОЖЕНИЕ Г (обязательное) Автономный промышленный измеритель температуры - Схема электрическая принципиальная	88
ПРИЛОЖЕНИЕ Д (обязательное) Смета единовременных затрат на создание автономного промышленного измерителя температуры……………………...91



    ВВЕДЕНИЕ
     
     
     В настоящее время на промышленных предприятиях используется три основных способа обслуживания оборудования:
     - система планово-предупредительного ремонта(ППР);
     - обслуживание оборудования по отказам;
     - обслуживание по фактическому состоянию.
     ППР – система технических и организационных мероприятий, направленных на поддержание и (или) восстановление эксплуатационных свойств технологического оборудования и устройств в целом и (или) отдельных единиц оборудования, конструктивных узлов и элементов.
     Достоинства ППР – оборудование находится всегда в рабочем состоянии. Недостатки: возможен внезапный отказ оборудования, обязательные затраты на остановку и ремонт оборудования, даже если оно исправно.
     Суть метода по отказам заключается в том, что замена отказавших деталей осуществлялась только после отказа оборудования, выхода его из строя в случайные моменты времени. Достоинства метода: 
     - обеспечивается почти полное использование ресурса отдельных деталей, так как элементы эксплуатируются до отказа. 
     Недостатки: 
     - сложные системы (трубопроводы) невозможно обслуживать по данной стратегии, так как это опасно, убыточно, влечет за собой длительный простой оборудования;
     - показатель безотказности остается низким в связи с отсутствием работ по предотвращению отказов; 
     - аварийный ремонт сопровождается большими материальными издержками.
     
     Суть метода обслуживания по фактическому состоянию – осуществление технического обслуживания, которое помогает проверять состояние оборудования, предсказывать поломки и определять техническое обслуживание, которое поможет предотвратить возникновение поломок.
     Достоинства метода по фактическому состоянию:
     - позволяет растянуть время эксплуатации до максимума, а значит и увеличить прибыль производства;
     - позволяет остановить оборудование в любой момент времени, если возникают «предвестники» неисправностей.
     Недостатком является обязательное применение средств неразрушающего контроля.
     В связи с вышесказанным разработка средств неразрушающего контроля для применения в обслуживании по фактическому состоянию является актуальной.
     Целью выпускной квалификационной работы является разработка автономного промышленного измерителя температуры корпуса агрегата в районе расположения критических узлов.
     Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
     - провести литературный обзор методов неразрушающего контроля, методов измерения температуры и основных типов датчиков температуры;
     - разработать структурную схему автономного промышленного измерителя температуры, провести выбор элементной базы;
     - разработать принципиальную схему устройства. 
     
       


      

    1 Литературный обзор
     
     
     В этом разделе будут рассмотрены методы неразрушающего контроля, методы измерения температуры и основные типы полупроводниковых датчиков температуры.
     
     
     1.1 Методы неразрушающего контроля
     
     
     Методы неразрушающего контроля (МНК) основываются на наблюдении, регистрации и анализе результатов взаимодействия физических полей (излучений) или веществ с объектом контроля, причем характер этого взаимодействия зависит от химического состава, строения, состояния структуры контролируемого объекта и т.п. 
     Все методы неразрушающего контроля являются косвенными методами. Настройка, калибровка должны осуществляться по контрольным образцам, имитирующим измеряемый физический параметр [1].
     Универсального метода неразрушающего контроля нет. Каждый отдельно взятый метод НК решает ограниченный круг задач. Система средств неразрушающего обычно состоит из прибора, преобразователя и контрольного образца.
     Достоинства МНК: 
     - сравнительно большая скорость контроля; 
     - высокая надежность (достоверность) контроля; 
     - возможность механизации и автоматизации процессов контроля; 
     - возможность применения МНК в пооперационном контроле изделий сложной формы; 
     - возможность применения МНК в условиях эксплуатации без разборки машин и сооружений, и демонтажа их агрегатов; 
     - сравнительная дешевизна контроля.
     
     
     1.1.1 Акустический метод
     
     
     Данный метод неразрушающего контроля основан на регистрации параметров упругих колебаний, возбуждаемых и (или) возникающих в объекте контроля [2]. На рисунке 1.1 изображена схема акустического метода контроля.
     При акустическом методе неразрушающего контроля чаще всего применяют звуковые и ультразвуковые частоты, т.е. используют диапазон частот приблизительно от 0,5 кГц до 30 МГц. В случае, когда при контроле используют частоты свыше 20 кГц, используют термин «ультразвуковой» вместо «акустический».
     
     Рисунок 1.1 - Схема акустического метода контроля
     
     Акустический метод НК применяют для обнаружения поверхностных и внутренних дефектов (нарушений сплошности, неоднородности структуры, межкристаллитной коррозии, дефектов склейки, пайки, сварки и т. д.) в заготовках и изделиях, изготовленных из различных материалов [3]. Он позволяет измерять геометрические параметры при одностороннем доступе к изделию, а также физико-механические свойства металлов и металлоизделий без их разрушения.
     К акустическим методам относятся методы звукового и ультразвукового диапазонов [4].
     По характеру взаимодействия упругих колебаний с контролируемым материалом акустические методы подразделяют на следующие основные методы [5]:
     - прошедшего излучения (теневой, зеркально-теневой);
     - отраженного излучения (эхо-импульсный);
     - резонансный;
     - импедансный;
     - свободных колебаний;
     - акустико-эмиссионный.
     По характеру регистрации первичного информативного параметра акустические методы подразделяются на амплитудный, частотный, спектральный.
     Применение акустических методов неразрушающего контроля:
     - метод прошедшего излучения выявляет глубинные дефекты типа нарушения сплошности, расслоения, непроклёпы, непропаи;
     - метод отраженного излучения обнаруживает дефекты типа нарушения сплошности, определяет их координаты, размеры, ориентацию путём прозвучивания изделия и приёма, отраженного от дефекта эхо сигнала;
     - резонансный метод применяется в основном для измерения толщины изделия (иногда применяют для обнаружения зоны коррозионного поражения, непропаев, расслоений в тонких местах из металлов);
     - акустико-эмиссионный метод обнаруживает и регистрирует только развивающиеся трещины или способные к развитию под действием механической нагрузки (квалифицирует дефекты не по размерам, а по степени их опасности во время эксплуатации). Метод имеет высокую чувствительность к росту дефектов - обнаруживает увеличение трещины на (1...10) мкм, причём измерения, как правило, проходят в рабочих условиях при наличии механических и электрических шумов;
     - импедансный метод предназначен для контроля клеевых, сварных и паяных соединений, имеющих тонкую обшивку, приклеенную или припаянную к элементам жёсткости. Дефекты клеевых и паяных соединений выявляются только со стороны ввода упругих колебаний;
     - метод свободных колебаний применяется для обнаружения глубинных дефектов.


     1.1.2 Магнитный метод 
     

     Это вид неразрушающего контроля основан на анализе взаимодействия магнитного поля с контролируемым объектом. При этом происходит регистрация магнитных полей рассеяния над дефектами или магнитных свойств контролируемого объекта [6]. На рисунке 1.2 изображена схема магнитного метода неразрушающего контроля.
     
     Рисунок 1.2 - Схема магнитного метода контроля
     
     Магнитные методы неразрушающего контроля применяют для обнаружения поверхностных и подповерхностных дефектов в деталях и полуфабрикатах различной формы, изготовленных из ферромагнитных материалов. 
     В магнитный вид неразрушающего контроля входят методы: магнитопорошковый, феррозондовый, магнитографический и другие. 
     Магнитопорошковый метод основан на регистрации магнитных полей рассеяния над дефектами с использованием в качестве индикатора ферромагнитного порошка или суспензии. 
     Феррозондовый метод контроля основан на измерении напряженности магнитного поля, в том числе и магнитных, полей рассеяния, возникающих в зоне дефектов, феррозондами. 
     Магнитографический метод неразрушающего контроля заключается в намагничивании зоны контролируемого металла или сварного шва вместе с прижатым к его поверхности эластичным магнитоносителем (магнитной лентой). Фиксации на магнитоносителе возникающих в местах дефектов полей рассеяния и последующим воспроизведении полученной записи. Считывание магнитных отпечатков полей дефектов с магнитной ленты осуществляется в дефектоскопах.


     1.1.3 Оптический метод 
     

     Оптический метод неразрушающего контроля основан на взаимодействии светового излучения с контролируемым объектом [7]. Он предназначен для обнаружения различных поверхностных дефектов материала деталей, скрытых дефектов агрегатов, контроля закрытых конструкций, труднодоступных мест машин и силовых установок (при наличии каналов для доступа оптических приборов к контролируемым объектам). Регистрация поверхностных дефектов осуществляется с помощью оптических устройств, создающих полное изображение проверяемой зоны. Достоинства этих методов — простота контроля, несложное оборудование и сравнительно небольшая трудоемкость. Поэтому их применяют на различных стадиях изготовления деталей и элементов конструкций, в процессе регламентных работ и осмотров, проводимых при эксплуатации техники, а также при ее ремонте. 
     Так как контроль с помощью оптических приборов обладает невысокой чувствительностью и достоверностью, то его применяют для поиска достаточно крупных поверхностных трещин, коррозионных и эрозионных повреждений, забоин, открытых раковин, пор, для обнаружения течей, загрязнений, наличия посторонних предметов и т. д.
     

     1.1.4 Контроль проникающими веществами
     

     К данному методу неразрушающего контроля относятся методы течеискания и капиллярные методы [8].
     Капиллярные методы основаны на капиллярном проникновении индикаторных жидкостей в полости поверхностных дефектов и регистрации индикаторного рисунка. На рисунке 1.3 изображена схема капиллярного метода неразрушающего контроля.
     
     
     Рисунок 1.3 - Схема капиллярного метода контроля
     
     При контроле этими методами на очищенную поверхность детали наносят проникающую жидкость, которая заполняет полости поверхностных дефектов. Затем жидкость удаляют, а оставшуюся в полостях дефектов часть обнаруживают путем нанесения проявителя, который адсорбирует жидкость, образуя индикаторный рисунок. Эти методы применяют в цеховых, лабораторных и полевых условиях, при положительных и отрицательных температурах. Они позволяют обнаруживать дефекты производственно-технологического и эксплуатационного происхождения: трещины шлифовочные, термические, усталостные, волосовины, закаты и др. Капиллярные методы могут быть применены для обнаружения дефектов в деталях из металлов и неметаллов простой и сложной формы.
     Благодаря высокой чувствительности, простоте контроля и наглядности результатов эти методы применяют не только для обнаружения, но и для подтверждения дефектов, выявленных другими методами дефектоскопии - ультразвуковым, магнитным, вихревых токов и др.


     1.1.5 Радиационный метод 
     

     Основан на взаимодействии проникающих излучений с контролируемым объектом [7]. Радиационные методы неразрушающего контроля применяют для контроля качества сварных и паяных швов, литья, качества сборочных работ, состояния закрытых полостей агрегатов и т. д. Проникающие излучения (рентгеновское, потока нейтронов, ?- и ?-лучей), проходя через толщу материала детали и взаимодействуя с его атомами, несут различную информацию о внутреннем строении вещества и наличии скрытых дефектов внутри контролируемых объектов. На рисунке 1.4 изображена схема радиационного метода неразрушающего контроля.
     
     
     Рисунок 1.4 – Схема радиационного метода неразрушающего контроля
     
     Наиболее распространенными радиационными методами являются рентгенография, рентгеноскопия и гамма-контроль, которые нашли применение на предприятиях металлургии и машиностроения. В качестве источников проникающих излучений применяют рентгеновские аппараты, бетатроны, линейные ускорители и микротроны, гамма-дефектоскопы и др.

     
     1.1.6 Радиоволновой метод
     

     Этот метод неразрушающего контроля основан на регистрации изменения параметров электромагнитных колебаний, взаимодействующих с контролируемым объектом [6]. Его применяют для контроля качества и геометрических размеров изделий из диэлектрических материалов (стеклопластики и пластмассы, резина, термозащитные и теплоизоляционные материалы, фибра), вибраций, толщины металлического листа и т. п. В качестве источников энергии служат магнетроны, клистроны, лампы обратной волны, преобразователи частоты, твердотельные генераторы, диоды Ганна и т. п. На рисунке 1.5 изображена схема радиоволнового метода неразрушающего контроля.
     
Рисунок 1.5 – Схема радиоволнового метода неразрушающего контроля
     
     Этот метод являются весьма перспективными, но ещё широко не применяется в промышленности. С помощью этого метода можно обнаруживать непроклеи, расслоения (площадью от 10 мм2 и более), воздушные включения, трещины (от 10 мкм и более), неоднородности по плотности, напряжения, измерять геометрические размеры и т.п.

     
     1.1.7 Тепловой метод
     

     Этот метод основан на регистрации тепловых полей, температуры или теплового контраста контролируемого объекта [9]. Тепловой метод неразрушающего контроля применяют для измерения температур, получения информации о тепловом режиме объекта, определения и анализа температурных полей, дефектов типа нарушения сплошности (расслоения, трещины и т.п.), выявления дефектов пайки многослойных соединений из металлов и неметаллов, склейки металл - металл, металл - неметалл и т. п. Контроль осуществляется с помощью термометров, термоиндикаторов, пирометров, инфракрасных микроскопов и радиометров и т.д. На рисунке 1.6 изображена схема теплового метода неразрушающего контроля.
     
     
     Рисунок 1.6 – Схема теплового метода неразрушающего контроля
     
     Данный метод пока применяется ограниченно, в основном в приборостроении для контроля радиоэлектронной аппаратуры. В пленочных проводниках и резисторах выявляют микротрещины, утонения, плохую адгезию, плохой контакт; в микросхемах - плохой контакт, нарушения теплового контакта, короткие замыкания, перегрев; в пленочных конденсаторах - токи утечки; в микродиодах и микротранзисторах - перегрев, неудовлетворительные контакты. 
     
     
     1.1.8 Электрический метод
     

     Основан на регистрации электростатических полей и электрических параметров контролируемого объекта [9]. На рисунке 1.7 изображена схема электрического метода неразрушающего контроля.
     
     Рисунок 1.7 – Схема электрического метода неразрушающего контроля
     Электрические методы применяют для выявления раковин и других дефектов в отливках, расслоений в металлических листах, различных дефектов в сварных и паяных швах, трещин в металлических изделиях, растрескиваний в эмалевых покрытиях и органическом стекле и т. д. Кроме того, данные методы применяют для сортировки деталей, измерения толщин пленочных покрытий, проверки химического состава и определения степени термообработки металлических изделий. Наиболее распространенными методами являются измерение электрического сопротивления, трибоэлектрический, термоэлектрический и др.
     
     
     1.1.9 Вихретоковый метод 
     
     
     Данный метод неразрушающего контроля основан на анализе взаимодействия внешнего электромагнитного поля с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых в объект контроля этим полем [10]. На рисунке 1.8 изображена схема вихретокового метода неразрушающего контроля.
     
     
     Рисунок 1.8 – Схема вихретокового метода неразрушающего контроля
     
     Вихретоковый метод применяют для контроля деталей, изготовленных из электропроводящих материалов. Он позволяет выявлять нарушения сплошности, в основном трещин, на различных по конфигурации деталях, в том числе имеющих покрытия. На основе данного метода разработаны приборы для измерения толщины листов и покрытий, диаметра проволоки и прутков. Его применяют на заводах и ремонтных предприятиях. В условиях эксплуатации применяют для профилактического контроля лопаток турбин газотурбинных двигателей, сварных и литых узлов элементов конструкций и др. Особенности присущие вихретоковым методам: многопараметровость, бесконтактный контроль, нечувствительность к изменению влажности, давления и загрязненности газовой среды и поверхности объектов контроля непроводящими веществами. 
     Вихретоковые методы имеют два основных ограничения: 
     - применяются только для контроля электропроводящих изделий; 
     - имеют малую глубину контроля, связанную с особенностями проникновения электромагнитных волн в объект контроля.
     С помощью вихретоковых методов решают следующие задачи:
     - обнаружение трещин, раковин, неметаллических включений и других видов нарушений сплошности (дефектоскопия);
     - измерение толщины прутков, стенок труб (при одностороннем доступе), диаметр проволок, а также толщины лакокрасочных, эмалевых, керамических, гальванических и других покрытий, нанесенных на электропроводящую основу (толщинометрия);
     - контроль химического состава, механических свойств, остаточных напряжений (структуроскопия). 
     Приведенный обзор позволяет сделать вывод, что для контроля металлов и металлоизделий имеется достаточный арсенал методов и средств неразрушающего контроля.
     В приложении А представлена таблица «Области применения методов неразрушающего контроля».
     1.2 Методы измерения температуры
     

     Для измерения температуры используют различные первичные преобразователи, отличающиеся способом преобразования температуры в промежуточный сигнал [11]. 
     
     
     1.2.1 Метод измерения температуры термометрами расширения
     
     
     Метод измерения температуры термометрами расширения основан на изменении объема жидкостей и твердых тел при изменении температуры. Из термометров расширения наиболее широко применяют жидкостные стеклянные термометры. На рисунке 1.9 изображен термометр расширения. Такой термометр заполняется жидкостью (ртуть, этиловый спирт и др.), которая с увеличением темпера туры расширяется и поднимается вверх по капилляру.
     Таким образом, температура, измеряемая жидкостным термометром, преобразуется в линейное перемещение жидкости. Шкала наносится прямо на поверхность капилляра или прикрепляется к нему снаружи.
     
     
     Рисунок 1.9 – Термометр расширения
     При монтаже стеклянный термометр помещают в защитную металлическую оправу, изолирующую его от измеряемой среды. 
     

     1.2.2 Метод измерения температуры манометрическими термометрами
     
     
     Метод основан на изменении давления газа, пара или жидкости в замкнутом объеме при изменении температуры. Манометрический термометр состоит из термобаллона, гибкого капилляра и манометра. На рисунке 1.10 изображен манометрический термометр.
     
     Рисунок 1.10 – Манометрический термометр
     
     В зависимости от заполняющего вещества манометрические термометры делятся на газовые, парожидкостные и жидкостные.
     Термобаллон манометрического термометра помещают в измеряемую среду. При нагреве термобаллона внутри замкнутого объема увеличивается давление, которое измеряется манометром. Шкала манометра градуируется в единицах температуры. Капилляр (обычно латунная трубка внутренним диаметром, составляющим доли миллиметра) позволяет удалить манометр от места установки термобаллона. Капилляр по всей длине защищен оболочкой из стальной ленты. Манометрические термометры могут применяться во взрывоопасных помещениях. При необходимости передачи результатов измерений манометрические термометры снабжают промежуточными преобразователями с унифицированными выходными пневматическими или электрическими сигналами.
     Наиболее уязвимыми в конструкции манометрических термометров являются места присоединения капилляра к термобаллону и манометру. Поэтому монтировать и обслуживать такие приборы следует осторожно.
     
     
     1.2.3 Метод измерения температуры термометрами сопротивления
     
     
     Данный метод основан на свойстве тел изменять электрическое сопротивление при изменении температуры. У металлических термометров с возрастанием температуры сопротивление увеличивается линейно, у полупроводниковых, наоборот, уменьшается. На рисунке 1.11 изображен термометр сопротивления.
     
     Рисунок 1.11 – Термометр сопротивления
     
     Металлические термометры сопротивления изготовляют из тонкой медной или платиновой проволоки, помещенной в электроизоляционный корпус. Зависимость электрического сопротивления от температуры (для медных термометров от минус 50 до плюс 180 °С, для платиновых — от минус 200 до плюс 750 °С) весьма стабильна и воспроизводима. Это обеспечивает взаимозаменяемость термометров сопротивления.
     Для защиты от воздействия измеряемой среды для термометров сопротивления применяют различные защитные чехлы. Приборостроительная промышленность выпускает много модификаций защитных чехлов, рассчитанных на разные условия эксплуатации.
     Полупроводниковые термометры сопротивления (термисторы) в промышленности применяют редко, хотя их чувствительность гораздо выше, чем проволочных термометров сопротивления. Это объясняется тем, что градуировочные характеристики термисторов значительно отличаются друг от друга, что затрудняет их взаимозаменяемость.
     Термометры сопротивления представляют собой первичные преобразователи с удобным для дистанционной передачи сигналом — электрическим сопротивлением. Для измерения такого сигнала обычно применяют автоматические уравновешенные мосты. При необходимости выходной сигнал термометра сопротивления может быть преобразован в унифицированный. Для этого в измерительную цепь включают промежуточный преобразователь. В этом случае измерительным будет прибор для измерения постоянного тока.

     
     1.2.4 Измерение температуры термопарой


     Принцип действия метода измерения температуры термопарой основан на свойстве двух разнородных проводников создавать термоэлектродвижущую силу (термо-э.д.с.) при нагревании места их соединения — спая. Проводники в этом случае называются термоэлектродами, а все устройство — термопарой. На рисунке 1.12 изображена термопара.
     Величина термо-э.д.с. термопары зависит от материала термоэлектродов и разности температур горячего спая и холодных спаев. Поэтому при измерении температуры горячего спая температуру холодных спаев стабилизируют или вводят поправку на ее изменение.
     
     Рисунок 1.12 – Термопара
     
     В промышленных условиях стабилизация температуры холодных спаев термопары затруднительна и обычно используют второй способ — автоматическое введение поправки на температуру холодных спаев. Для этого применяют: неуравновешенный мост, включаемый последовательно с термопарой.
     В одно плечо такого моста включен медный резистор, расположенный около холодных спаев. При изменении температуры холодных спаев термопары изменяется сопротивление резистора и выходное напряжение неуравновешенного моста. Мост подбирают таким образом, чтобы изменение напряжения было равно по величине и противоположно по знаку изменению э.д.с. термопары вследствие колебаний температуры холодных спаев.
     Термопары являются первичными преобразователями температуры в э.д.с. — сигнал, удобный для дистанционной передачи. Поэтому в измерительную цепь за термопарой может быть сразу включен измерительный прибор. Для измерения э. д. с. термопары обычно применяют автоматические потенциометры.
     В промышленности применяют различные термопары, термоэлектроды которых изготовлены как из чистых металлов (платина), так и из сплавов хрома и никеля (хромель), меди и никеля (копель), алюминия и никеля (алюмель), платины и родия (платинородий), вольфрама и рения (вольфрамрений). Материалы термоэлектродов определяют предельное значение измеряемой температуры. Наиболее распространенные термоэлектродные пары образуют стандартные термопары: хромель-копель (предельная температура 600 °С), хромель-алюмель (предельная температура 1000 °С), платинородий-платина (предельная температура 1600 °С) и вольфрамрений с 5 % рения — вольфрамрений с 20 % рения (предельная температура 2200 °С). Промышленные термопары отличаются высокой стабильностью и воспроизводимостью градуировочных характеристик, что позволяет заменять их без какой-либо переналадки остальных элементов измерительной цепи.
     Термопары, как и термометры сопротивления, устанавливают в защитных чехлах, на которых указан тип термопары. Для высокотемпературных термопар применяют защитные чехлы из теплостойких материалов: фарфора, оксида алюминия, карбида кремния и т.п.


     1.2.5 Метод измерения температуры пирометрами излучения
     
     
     Действие метода основано на измерении всей энергии излучения нагретого тела. Лучи от нагретого тела объективом фокусируются на зачерненной пластинке и нагревают ее. Температура пластинки при этом оказывается пропорциональной энергии излучения, которая, в свою очередь, зависит от измеряемой температуры. Для измерения температуры пластинки обычно применяют батарею последовательно включенных термопар, э.д.с. которой измеряется автоматическим потенциометром. На рисунке 1.13 изображен пирометр излучения.
     
     Рисунок 1.13 – Пирометр излучения
     
     В комплект пирометра входят телескоп, измерительный прибор и вспомогательное оборудование, предназначенное для защиты телескопа от воздействия измеряемой среды (копоти, пыли, высокой температуры). 
     
     
     1.2.6 Метод измерения температуры терморезисторами
     
     
     Метод измерения терморезистором основан на изменении электрического сопротивления от температуры. Резистивный элемент терморезистора изготавливают методом порошковой металлургии из оксидов, галогенидов, халькогенидов некоторых металлов, в различном конструктивном исполнении, например в виде стержней, трубок, дисков, шайб, бусинок, тонких пластинок, и размерами от 1 до 10 микрометров до нескольких сантиметров. На рисунке 1.14 изображены терморезисторы.
     
     Рисунок 1.14 – Терморезисторы
     По типу зависимости сопротивления от температуры различают терморезисторы с отрицательным (NTC-термисторы, от слов «Negative Temperature Coefficient») и положительным (PTC-термисторы, от слов «Positive Temperature Coefficient» или позисторы) температурным коэффициентом сопротивления (или ТКС). Для позисторов — с ростом температуры растёт их сопротивление; для NTC-термисторов увеличение температуры приводит к падению их сопротивления.
     Терморезисторы с отрицательным ТКС (NTC-термисторы) изготовляют из смеси поликристаллических оксидов переходных металлов (например, MnO, СoOx, NiO и CuO), полупроводников типа AIII BV, стеклообразных, легированных полупроводников (Ge и Si), и других материалов. PTC-термисторы изготовляют из твёрдых растворов на основе BaTiO3, что даёт положительный ТКС.
     Также терморезисторы классифицируют как:
      - низкотемпературные (предназначенные для работы при температурах ниже 170 К);
     - среднетемпературные (от 170 до 510 К); 
     - высокотемпературные (выше 570 К). 
     Выпускаются терморезисторы, предназначенные для работы при температурах от 900 до 1300 К.
     Терморезисторы способны работать в различных климатических условиях и при значительных механических нагрузках. Однако, с течением времени, при жёстких условиях его эксплуатации происходит изменение его исходных .......................