Приборы для измерения температуры

Чаще применяют металлические термометры сопротивления. Материалы для термометров сопротивления должны обладать следующими свойствами: а) высоким удельным сопротивлением; б) высоким температурным коэффициентом; в) химической инерт­ностью; г) легкой технологической воспроизводимостью; д) деше­визной; е) постоянством физических свойств во времени.

Металлические сплавы, обладающие обычно высоким удельным сопротивлением, но небольшим температурным коэффициентом, непригодны в качестве материала для термометров сопротивления. Неоднократные попытки широкого использования никеля и железа, обладающих большим температурным коэффициентом и высоким удельным сопротивлением, практически потерпели неудачу. Эти металлы в чистом виде получить трудно. Кроме того, они крайне слабо сопротивляются химическим воздействиям. По разным при­чинам отпала возможность использовать и многие другие металлы. Наиболее подходящими материалами для термометров сопро­тивления оказались платина (для измерений в интервале от —200 до 650°С) и медь (в интервале от —50 до +180°С).

Платина — дорогостоящий материал, химически инертен и легко получается в чистом виде. Удельное сопротивление платины Q0 = 0,0981 • 10-6 Ом∙м, при 0°С— достаточно большое. При температуре t полное  сопротивление Rt (Ом)   термометра   опреде­ляется зависимостями:

для

t>0 (3)

для

t<0 (4)

Аналогичные   зависимости   имеет   и   удельное    сопротивление

Qt, ОМ/М.

Для платины марки Пл-2 (ГОСТ 8588—64), применяемой обычно в стандартных термометрах сопротивления, коэффициенты в (3) и (4) имеют значения: А =3,96847∙10-3 град-1; В = -5,847∙ 10-7 град-2; С= -4,22∙10-12 град-4

Чистота платины характеризуется отношением сопротивления rioo при температуре 100°С к сопротивлению R0 при 0°С. Для пла­тины марки Пл-2 по (3) отношение Rm : R0= 1,391. Особо чистая платина марки Пл-0 характеризуется отношением R 100 :R0 = 1,3925. Чем больше загрязнена платина, тем меньше это отноше­ние.

Медь обладает малым удельным сопротивлением Q0 =0,0155-10-6 Ом-м. Медь получается электролитическим путем, поэтому даже обычные торговые сорта меди отличаются высокой степенью чистоты. Медные провода в различной изоляции выпуска­ются в широком ассортименте практически любых сечений. Однако при высоких температурах наблюдается интенсивное окисление даже изолированных медных проводников, что ограничивает верх­ний предел измерения. Температура +180°С является допустимым пределом применения лаковой изоляции проводов.

В применяемом интервале температур от —50 до +180°С сопро­тивление меди практически линейно зависит от температуры. Отно­шение R100: R0= 1,426.

Кроме чистых металлов, для термометров сопротивления ис­пользуются также некоторые полупроводниковые материалы.

При измерениях сопротивлений ток, протекающий по термо­метру, должен быть небольшим. Иначе выделение тепла может при­вести к заметной разности температур термометра и окружающей среды. Для технических термометров тепловая энергия, выделяемая в термометре, или мощность рассеивания должна быть не более 10 мет, а для полупроводниковых термометров (разных типов)— не более 0,3—2 мет.

 Платиновые термометры сопротивления

Технические термометры  (тип ТСП)   чаще всего  выполняются в конструктивной форме, показанной на рис. 7.

Неизолированную платиновую проволоку 1 диаметром 0,07 мм бифилярно наматывают на слюдяную пластинку 2 с зубчатыми краями. Бифилярная намотка необхо­дима для того, чтобы исключить появле­ние индуктивного сопротивления. Пла­стинка с намотанной на ней платиновой проволокой покрывается с двух сторон слюдяными пластинками таких же разме­ров. Все три пластинки скрепляются се­ребряной лентой 4 в пакет. К каждому концу платиновой проволоки приварива­ется подводящий провод 3 из серебра диаметром 1 мм. Подводящие провода изолируются фарфоровыми бусами 5 и присоединяются к зажимам на головке термометра. Такой чувствительный эле­мент помещают в тонкостенную алюми­ниевую трубку 6 (рис. 7), в нижней части которой расположен массивный вкладыш 7 с плоской прорезью для чув­ствительного элемента. Вкладыш улучша­ет условия теплопередачи от трубки к чувствительному элементу. Алюминие­вую трубку вместе с подводящими прово­дами помещают во внешний защитный чехол 8, выполняемый обычно из сталь­ной трубы.

Внешний вид и размеры термометров такие же, как и у термоэлектрических термометров. Длина чувст­вительного элемента во всех конструк­циях обычно не меньше 90—100 мм.

Рис. 7. Конструктивная схема    платиновых   тер­мометров       сопротивле­ния: а — схема бифилярной на­мотки проволоки / на слю­дяную пластинку 2; б—чув­ствительный элемент тер­мометра в арматуре

У термометров с уменьшенной тепло­вой инерцией массивный вкладыш не при­меняется и пакет из трех слюдяных пла­стин помещается между двумя пружиня­щими лепестками из тонкого (0,1 мм) дюралюминия.

Термометры малоинерционные (с по­стоянной времени менее 9 сек) имеют чув­ствительный элемент иной конструкции: платиновая проволока, намотанная на

стеклянный стержень, оплавляется стеклом и помещается во внеш­ний защитный чехол с наружным диаметром 10 мм.

У термометров, предназначенных для измерения отрицательных температур, алюминиевая трубка с чувствительным элементом заливается парафином для защиты от образования конденсата.

Термометры могут быть выполнены также двойными (с двумя электрически изолированными друг от друга чувствительными эле­ментами и с четырьмя зажимами на головке термометра).

Платиновые технические термометры сопротивления (по ГОСТ 6651—59) выпускаются трех градуировок, отличающихся величи­ной сопротивления R0 при 0°С и пределами применения:

Для измерения низких температур от 12 до 95К. (приблизи­тельно от —261 до — 178°С) применяются специальные образцовые и лабораторные термометры сопротивления (ГОСТ 12877—67). Зависимость между сопротивлением и температурой устанавли­вается в этом случае по ГОСТ 12442—66.

Технические термометры поверяют обычно в двух точках: при 0°С в ледяном термостате и приблизительно при 100°С в паровом термостате. Критериями оценки качества термометров служат зна­чения сопротивления R0 и отношения сопротивлений R100:R0

Таблица  4

Зависимость сопротивления платиновых термометров от температуры (градуировочные таблицы)

Поверку производят по инструкциям 156—60 и 157—62 Государ­ственного комитета стандартов, мер и измерительных приборов СССР.

 Медные термометры сопротивления

Медные термометры изготовляют только технические (тип ТСМ) по ГОСТ 6651—59 и имеют обычно следующую конструктив­ную форму.

Медная изолированная проволока диаметром 0,1 мм наматы­вается, обычно бифилярно, в несколько слоев на цилиндрическую пластмассовую колодку и покрывается глифталевым лаком. Концы проволоки припаиваются к подводящим медным проводам диамет­ром 1,0—1,5 мм, которые присоединяются к зажимам головки тер­мометра. Чувствительный элемент помещают в тонкостенную металлическую гильзу (рис. 8), а затем — во внешний защитный чехол с наружным диаметром 10, 14 или 21 мм в рабочей части (рис. 9), общей длиной до 2000 мм.

Термометры, предназначенные для измерения температуры воз­духа при атмосферном давлении, имеют перфорированный внешний защитный чехол (рис 9,б).

Рис. 8. Чувстви­тельный элемент медного термомет­ра сопротивления: а — без         защитной гильзы;   б — в  защит­ной гильзе

Рис. 9.   Внешний   вид   термометров сопротивления: а —в защитном  чехле;   б — для измерений температуры    воздуха       при     атмосферном давлении

Погрешности  измерения температуры за счет отклонений от градуировочных зависимостей R = f(t) по табл. 5 не должны пре­вышать:

для термометров класса II  .....    = ±(0,30+3,5∙10-3| t|) °С,

для термометров класса III ….  = ± (0,30+60∙10-3|t |) "С.

Полные градуировочные таблицы с интервалами температур в 1°С приведены в приложении к ГОСТ 6651—59.

Таблица   5

 Зависимость сопротивления медных термометров от температуры (градуировочные таблицы)

Термоэлектрические преобразователи

 Принцип действия термоэлектрического преобразователя основан на возникновении электрического тока в цепи, составлен­ной из двух разнородных проводников, при нарушении теплового равновесия мест их контактирования. Замкнутая электрическая цепь (рис.9), состоящая из двух разнородных проводников-термоэлектродов а и b, образует термоэлектропреобразователь (в даль­нейшем термопара). Спай Т1 погружаемый в измеряемую среду, называется рабочим или горячим спаем термопары, второй спай Т2 носит название холодного или свободного.

рис.9. Распределение потенциалов в цепи идеальной термопары

 Согласно электронной теории, во всех проводниках имеются свободные электроны. Число электронов, приходящихся на еди­ницу объема, различно для проводников. По мере повышения температуры проводника концентрация свободных электронов о единице его объёма возрастает. Эти свободные электроны диф­фундируют из мест с большей концентрацией в места с меньшей, т.е. в общем случае, когда концы проводника имеют разную температуру, свободные электроны диффундируют от горячего конца проводника к холодному. Следовательно, при электронной проводимости холодный конец проводника заряжается отрицательно, а нагретый - положительно. Термоэлектродвижущая сила, развивающаяся па концах однородного проводника (термоЭДС Томсона), зависит от его природы. Величина этой термоЭДС ЕTa для конкретною проводника а определяется соотношением

(12)

где - коэффициент Томсона для данного проводника, зави­сящий от его материала а.

Если замкнутая цепь состоит из двух различных однородных проводников а и б, то суммарная термоЭДС (Томсона) в цепи рав­на разности термоЭДС, возникающих в каждой ветви, и определя­ется по формуле

 (13)

т.е. в замкнутой цепи, состоящей из пары проб, сум­марная термоЭДС зависит от абсолютных температур Т1 и Т2 в местах их соединений.

Зеебек, проводя исследования термоэлектрических явлений в замкнутых цепях разнород­ных проводников, обнаружил, (что в цепи, состоящей из двух разнородных проводников а и Ь, находя­щихся в соприкосновении при одинаковой температуре, в месте контакта возникает термоЭДС (явление Зеебека), вследствие раз­ности концентраций свободных электронов в ка­ждом из проводни­ков и контактной разности потенциалов. Если число свободных электронов, приходящихся на единицу объёма, обозначить соответственно через Na и Nb и принять, что Na > Nb, , то электро­ны проводника а будут диффундировать в проводник b в большем количе­стве, чем обратно из проводника b в проводник а. Вслед­ствие этого проводник а будет заря­жаться положительно, проводник  b отрицательно, при этом свободные концы проводников бу­дут иметь некоторую разность потенциалов                                                   

 (14)

где     е -заряд электрона;

k -постоянная Больцмана.

Изложенные выше закономерности позволяют заключить по термоЭДС в цепи, соста­вленной из двух разнородных проводников, имеющих различные температуры мест их кон­тактиро­вания  T1 и Т2 определится в следующем виде:

 (15)

Таким образом, если одно из мест контактирования термо­пары, составленной из термо­электродов а и Ь, выдерживать при постоянной температуре (Т2 = const), то термоЭДС ее Еab(T1) будет зависеть только от температуры Т1. Следовательно,  проградуировав ее, т. е. построив зависимость термоЭДС термопары от температуры Т1 (рабочего конца) и выдерживая посто­янной тем­пературу Т2 (свободного конца), можно в дальнейшем по величи­не измеренной термоЭДС определить температуру рабочего спая. Обычно градуировку термопары производят при температуре сво­бодных концов Т2 = 273,75 К (0°С)

Следует отметить, что рассматриваемый термоэлектриче­ский эффект обладает и обрат­ным свойством, заключающимся в том, что если в такую цепь (см. рис.6) извне подать электри­ческий ток, то в зависимости от направления тока один из спаев будет на­греваться, а другой охлаждаться (эффект Пельтье).

Для измерения термоЭДС в цепь термопары включается измерительный прибор (милли­вольтметр, потенциометр и т.п.) по одной из двух схем (рис.10).

Подключение измерительного прибора в контур термопары  по обеим схемам (рис.7а, б) одинаково правомочно.   Влияние третьего проводника с не оказывается при равенстве температур 2 и 3 (см. рис. 10, а) или 3 и 4 (см. рис. 10, б).   

Рис. 10. Схемы включения измерительного прибора в цепь термоэлектрического пре­образователя

Если температура свободных концов отлична от нуля, то по­казания приборов будут отличаться от градуировочной. Введение поправки на температуру свободных концов может производиться следующими спо­собами:

1)      применением удлиняющих термоэлектродных проводов, изготовленных из материалов, имеющих термоэлектрическую характеристику,   совпадающую   с   характеристикой   исполь­зуемого термоэлектрического преобразователя в интервале температур от 0 до 100 - 200° С, включенных таким образом,   что паразитные термоЭДС, образующиеся в местах  контактирования включены встречно и равны по величине;

2)  применением компенсирующего моста (рис.8) для автоматического введения поправки (ко­робка холодных спаев), который представляет собой неравновесный мост (см.рис.8) с по­стоянными манганиновыми резисторами R1, R2, R3 и медным резистором Rm, находящимся в равновесии при 0° С, при отклонении темпе­ратуры  свободных  концов возникающий  раз­баланс  моста  Uab компенсирует возможное снижение измеряемой термоЭДС;

3)     применением специального медного сопротивления в автоматических потенциометрах;

4)   термостатированием свободных концов при постоянной температуре 0° С или (50±0,5) °С.

Рис.8. Схема автоматической компенсации температуры свободных концов

  МАТЕРИАЛЫ  ТЕРМОПАР И  ИХ  КОНСТРУКЦИЯ

К материалам термоэлектродов предъявляется ряд требо­ваний:

а)     однозначная и по возможности близкая к линейной зависимость термоЭДС от темпера­туры;

б)     жаростойкость и механическая прочность с целью измерения высоких температур;

в)     химическая инертность;

г)     термоэлектрическая однородность материала проводника по длине, что позволяет восста­навливать рабочий спай без переградуировки, а также менять глубину его погружения;

д)     технологичность (воспроизводимость) изготовлении с целью получения взаимозаменяе­мых по термоэлектрическим свойствам материалов;

 е) стабильность градуировочной характеристики;

ж) дешевизна.

Среди этих требований есть желательные и обязательные. К числу обязательных относятся воспроизводимость и стабильность. Наиболее полно этим требованиям отвечают стандартные термопары (СТ СЭВ 1059-78).

Для удобства применения термоэлектрический термометр специальным образом армиру­ется. Его помещают в защитные металлические или керамические трубы (чехлы). Термо­электроды изолируют один от другого с помощью керамических трубочек (бусинок) и вставляют в трубу. Вид и материал защитных труб выби­рают  в соответствии со свойствами изме­ряемой среды. Многочис­ленные конструктивные формы и необходимые принадлежности в значительной части регламентированы стандартами и другими нормативными документами.

Если физические и химические условия допускают это, то термопара может быть введена в измеряемую среду без защитной оболочки. При этом размеры ее могут быть приняты ма­лыми, чем обеспечивается благоприятное динамическое поведение.

Динамическая характеристика термоэлектрических термо­метров в общем виде описыва­ется передаточной функцией

 (16)

Значение постоянной времени и транспортного запаздывания - зависит от конструктив­ных размеров и используемых материалов защитного чехла. Для выпускаемых в настоя­щее время термо­электрических термометров эти величины находятся в пределах . Т = 1,5 ÷ 8 мин,    =9 ÷300 с, а   = 0,11 + 0,78.

Бесконтактные методы

 Методы измерения температуры тел по их излучению

Измерение высоких температур путем непосредственного сопри­косновения измеряе­мой среды с термометром (контактным путем) часто практически неосуществимо. Нередко при измерениях отно­сительно невысоких температур контактный путь измерения также не­желателен из-за больших трудно определимых систематических погрешностей или невоз­можен по технологическим или конструк­тивным соображениям (например, при измерениях температуры поверхностей вращающихся тел). Во всех этих случаях можно изме­рять тем­пературу тел по их излучению бесконтактным путем. Для этого применяют пирометры-тер­мометры, действие которых осно­вано на использовании теплового излучения нагретых тел.

Возможность измерения температуры тел по их излучению была известна давно. Широко применялся прежде метод визуальных измерений температуры тел по цветам каления. При нагревании, начиная примерно с температур 550 °С, тела постепенно меняют свой цвет от темно-красного до ослепительно белого. Цвета каления являются результирующим ощущением, вызванным всем комплексом лу­чей участка видимого излучения. Такой метод измерения весьма субъективен и мо­жет дать хорошие результаты лишь при большом опыте наблюдений за нагреванием изделий из одного и того же однородного  материала.   В настоящее   время этот метод измерения применяется очень редко.

Измерение температуры тел по их излучению можно проводите различными методами. Чаще всего пользуются следующими тремя методами:

1)  яркостным — по    спектральной     интенсивности    излучения телом лучей определенной длины волны (фотометрическим измере­нием яркости тела  в  монохроматическом  свете) — по величине J (или В);

2)         радиационным — по плотности интегрального излучения (по излучательной способности) тела — по величине Е;

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5