Температурные шкалы и единицы измерения

 

Температурные измерения должны проводиться по соответ­ствующей шкале. Одной из таких шкал является термодинамиче­ская температурная шкала. Однако эту шкалу очень трудно вос­произвести. Поэтому для практического использования была введена эмпирическая международная практическая температурная шкала (IPT, МПТШ), которая основывается на шести первичных (основных) и многочисленных вторичных реперных точках, ха­рактеризующих естественные температуры фазовых превращений (главным образом это точки затвердевания и кипения), и на ин­терполяционных уравнениях, используемых между этими точка­ми.

Реперные точки могут быть воспроизведены в любое время с высокой точностью. Для измерений между основными реперны­ми точками используют интерполяционные эталонные приборы: платиновый термометр сопротивления, термоэлектрические тер­мометры (термопары) с электродами из платинородиевого спла­ва и платины и оптические пирометры.

Для технических измерений различие между обеими указанными ранее температурными шкалами пренебрежимо мало, поэто­му по МПТШ можно применять также единицы измерения тер­модинамической шкалы. В зависимости от того, какой темпера­туре присвоено нулевое значение, получают шкалу Кельвина или шкалу Цельсия. Шкала Кельвина начинается с абсолютного нуля, причем единица — 1 кельвин [К] — согласно определению состав­ляет 1/273, 16 часть термодинамической температуры тройной точ­ки воды (которая практически не зависит от давления):

Температура в кельвинах обозначается буквой 0 или Т. Едини­цей разности температур (температурного интервала) тоже явля­ется 1 кельвин [К].

Известная температурная шкала Цельсия начинается с точки таяния льда. Нулевая точка этой шкалы расположена на 273, 15 К выше абсолютного нуля и на 0, 01 К ниже тройной точки воды, которая является одной из основных реперных точек.

Температуры точек кипения воды и таяния льда являются функциями давления р; при р₀ = 1, 013 бар градус по шкале Цельсия определяется по формуле

Единицей шкалы является градус цельсия [°С], равный по ве­личине

кельвину [К]. Температура по шкале Цельсия обознача­ется буквой $ или t. В последующих разделах для обозначения этих температур будут применяться буквы диб, чтобы отличать температуру от времени t и от постоянных времени Т.

С учетом изложенного численное соотношение имеет вид

В англоязычных странах до сих пор иногда используют темпе­ратурные шкалы Рэнкина [°Ra] и Фаренгейта [°F], Численные значения температур по этим шкалам пересчитывают по следую­щим формулам:

 

 

Реперные точки. Каждый термометр следует время от време­ни подвергать повторной поверке, так как старение материала чувствительного элемента или чрезмерная нагрузка на него мо­гут изменить его первоначальную характеристику. Перед при­емосдаточными измерениями, в которых должно быть подтверж­дено, например, достижение гарантированных показателей по­требления теплоты, все приборы для измерения температуры должны проходить поверку.

Поверку приборов осуществляют сравнением их показаний с температурной шкалой. Практически это можно сделать двумя способами: сравнением показаний в одной или в нескольких ос­новных или вторичных реперных точках; сравнением с показани­ем образцового (стандартного) прибора в идентичных условиях окружающей среды.

Поверка по реперной точке обеспечивает максимально воз­можную точность. Однако такая поверка имеет недостаток, зак- лючающийя в том, что сравнение осуществляется только в неко­торых дискретных точках температурной шкалы, между которы­ми приходится интерполировать. Для такой поверки требуется специальное контрольное оборудование, позволяющее с большой тщательностью установить реперные точки.

Затраты времени, особенно на подготовку, во время которой во всех элементах оборудования должно быть достигнуто устано­вившееся температурное состояние, очень значительны. Поэто­му поверку в реперных точках проводят редко. Исключением яв­ляются те реперные точки, которые могут быть реализованы про­стыми средствами в любой малой лаборатории: точка таяния льда (0, 00 °С), тройная точка воды (0, 01 °С), точка кипения воды (100, 00 °С), а иногда и точка кипения серы (444, 6 °С).

Термостаты. Поверка датчиков температуры может быть осу­ществлена гораздо проще, чем измерением в реперной точке, если применить сравнение с показаниями образцового (стандартного) прибора — стеклянного жидкостного термометра, термометра сопротивления, термоэлектрического термометра (термопары), зависимость погрешности которого от температуры известна за­ранее. Такие сравнительные измерения могут быть проведены в большинстве лабораторий, если только в них есть соответствую­щие испытательные устройства — градуировочные ванны или термостаты, в которых можно в течение длительного времени

поддерживать постоянную температуру, варьируя ее в определен­ных рабочих пцеделах.

Качество поверки определяется точностью образцового термо­метра, поэтому оно ниже, чем при поверке в реперной точке. Однако для большинства промышленных измерений достигаемая точность поверки достаточна.

Температуру можно регулировать с помощью контактного тер­мометра с точностью от 0, 01 до 0, 10 К (в зависимости от особен­ностей примененной аппаратуры). В последнее время начали применяться полупроводниковые датчики сопротивления, которые могут управлять мощностью нагрева непосредственно с помощью тиристоров. Постоянство температуры при этом улучша­ется на целый порядок.

 

Контактная термометрия

 

18.3.1.Механические контактные термометры

 

Если не принимать во внимание специальные методы измере­ния, основанные на физических явлениях, то можно убедиться, что все обычные методы измерения температуры основываются на двух главных принципах: контактной и бесконтактной термо­метрии (бесконтактные методы называются также радиационной пирометрией, поскольку температура тела определяется по его радиации — излучению). За исключением фотоэлектрического датчика температуры, все термометры основаны на передаче теп­лоты чувствительному элементу. В контактных термометрах эта передача обеспечивается теплопроводностью и конвекцией, а в бесконтактных — тепловым излучением. При этом тело, терми­ческие характеристики которого известны, приводят в калориче­ское (температурно-тепловое) равновесие с неизвестным телом и по достижении установившегося состояния делают выводы о тем­пературе исследуемого тела.

В зависимости от реализуемого выходного сигнала термомет­ра различают механические и электрические контактные термо­метры. Имеются также термометры, которые могли бы быть от­несены к обеим этим категориям одновременно, например меха­нические контактные термометры, которые образуют единое це­лое с электрическими контактами или электрическими измери­тельными преобразователями. Такие термометры рассматривают­ся здесь в группе механических.

Механические контактные термометры являются наиболее распространенными. Почти все они основаны на тепловом рас­ширении веществ, точнее, на различном расширении двух разных веществ. Эти вещества могут находиться при использовании в качестве датчиков или расширяющихся тел в датчиках во всех трех фазовых состояниях: твердом, жидком и газообразном. Ме­ханические контактные термометры обычно характеризуются большой прочностью, малыми затратами на обслуживание, хоро­шей точностью и низкой стоимостью. Они рассчитаны в основ­ном на повседневное практическое применение, а также для про­ведения лабораторных и экспериментальных работ.

Показание термометра считывают, как правило, прямо на ме­сте измерения. Однако имеются варианты исполнения, в которых измерительный сигнал может быть передан на некоторое ограни­ченное расстояние. Их изготавливают в виде температурных реле (выключателей) или передатчиков температуры (выходные сигна­лы могут быть пневматическими, гидравлическими или электри­ческими) или даже в виде механических регуляторов температу­ры прямого действия (без подвода какой-либо вспомогательной энергии).

Дилатометрический термометр. Простейший принцип изме­рения температуры использует удлинение металлического стержня, рассчитываемое по уравнению

где l, l₀ и l_υ — длина стержня, м, соответственно в первоначальном состоянии, при 0°С и при температуре υ, °С; α — коэффициент линейного температурного расширения материала стержня, м/(м К).

Коэффициент α в той или иной степени (в зависимости от материала) зависит от температуры, т.е. непостоянен: α = f(θ ). Обычно в качестве чувствительного элемента дилатометрического термометра используют трубку из металла с возможно более вы­соким а (например, из латуни), внутри которой концентрично располагается стержень из материала с возможно более низким а (например, из инвара, фарфора, кварца).

Диапазон измерений составляет примерно 0... 1 000°С. Боль­шая длина чувствительных элементов таких термометров не по­зволяет определять с их помощью температуру в отдельных точках; они показывают температуру, усредненную по всей длине. При тщательной установке дилатометрических термометров можно добиться точности измерений от ±1 до ±3 % (в зависимости от их исполнения).

Дилатометрические термометры часто используют там, где тре­буются большие усилия в исполнительном механизме, например в регуляторах температуры прямого действия.

Биметаллические термометры. Значительно чаще дилатомет­рических применяют биметаллические термометры, в которых для индикации температуры также используют различное темпе­ратурное расширение двух разнородных материалов. Биметалли­ческие термбметры могут иметь малые размеры, в чем и заклю­чается их существенное преимущество перед громоздкими дила­тометрическими термометрами. Они просты по конструкции (по­скольку у них мало движущихся частей). Их изготавливают в са­мых разнообразных исполнениях, они просты и имеют низкую стоимость.

Два или несколько слоев различных материалов прокатывают совместно (в пакете), причем в зависимости от назначения они могут иметь различные геометрические формы. На рис. 18.2 показаны наиболее распространенные конструктивные исполнения чувствительных элементов этих термометров. Варианты а и б используются главным образом в качестве температурных реле (например, реле максимального тока) и в механических приборах с компенсацией температурного влияния. Варианты в и г в свя­зи с большим отклонением свободного конца биметаллического элемента могут быть использованы в термометрах с непосред­ственным отсчетом температуры (рис. 18.2, д).

Рис. 18.2. Биметаллические термометры: а...г — конструктивные формы биметаллических пружин; д — схема термометра

Для схем, приведенных на рис. 18.2, а, б, перемещения конца биметаллического элемента Δ h определяют соответственно по формулам:

 

 

где α — температурный коэффициент; l — длина биметалличе­ского элемента; s — толщина биметаллического элемента; Δ υ — изменение температуры.

Для схем, приведенных на рис. 18.2, в, г, угол смещения конца биметаллического элемента γ определяют по формуле

 

 

 

Один конец чувствительного элемента всегда закреплен непод­вижно, а другой соединен с передаточным редуктором или непос­редственно с показывающим устройством. В отличие от дилато­метрических биметаллические термометры могут совершать лишь незначительную работу, поэтому их применяют, как правило, в качестве показывающих приборов, реже — для передачи показа­ний на расстояние.

Биметаллическими термометрами можно измерять температу­ру от -50 до +600 °С. Погрешность составляет от ±1 до ±3 %.

 

Жидкостные термометры

Стеклянные жидкостные термометры. В этих термометрах измеряется относительное расширение жидкости по сравнению с объемом резервуара. Основная часть термометрической жидко­сти располагается в шарообразном или цилиндрическом резерву­аре, который собственно и является чувствительным элементом термометра (рис. 18.3). Резервуар сообщается с длинным и узким стеклянным

капилляром. На верхнем конце капилляра имеется расширительная (переливная) камера, которая используется для сбора термометрической жидкости, если термометр нагревается выше его верхнего предела измерений.

Для заполнения термометров могут быть применены практи­чески любые жидкости. При этом различают смачивающие (например, органические) и несмачивающие (например, ртуть) жидкости. Смачивающие жидкости при измерении снижающейся температуры обусловливают дополнительную погрешность. Органическую жидкость нужно подкрашивать, чтобы она была видна в капилляре (для облегчения отсчета). Из-за малого коэффици­ента температурного расширения ртути резервуар ртутного термометра должен иметь больший объем, чем при заполнении дру­гими жидкостями.

Расширение рассчитывают по формуле

 

где (β объемный коэффициент температурного расширения (примерно в три раза больше коэффициента линейного темпера­турного расширения α ); V, V₀ и V_υ — объемы термометрической жидкости, м³ соответственно в первоначальном состоянии, при температуре 0 °С и при температуре υ (°С).

Шкалу термометра можно нанести на стеклянную пластину молочного цвета, помещенную сзади капилляра и вместе с ним расположенную в защитной стеклянной трубке. Это так называ­емые термометры с вложенной шкалой (рис. 18.3). У стержневых термометров (рис. 18.3, а) шкалу наносят непосредственно на наружной поверхности толстостенной капиллярной трубки.

В зависимости от диапазона измерений и требуемой точнос­ти цена деления шкалы обычных термометров может быть равна 0, 1; 0, 2; 0, 5 или 1 К или кратна этим значениям. Если термометр при измерении должен частично погружаться в контролируемую среду, то на нем дополнительно должна быть сделана отметка — до какой глубины его можно погружать.

Диапазон измерения стеклянных жидкостных термометров зависит от свойств термометрической жидкости. Для некоторых наиболее распространенных жидкостей он характеризуется сле­дующими температурами, °С:

Изопентан......................................... -195...+35

Нормальный пентан........................ -130...+35

Этиловый спирт............................... -110...+210

Толуол............................................. -90... + 110

Ртуть — таллий............................. -60...+30

Ртуть в вакууме........................... -30...+150

Ртуть под давлением................... -30...+630

Ртуть — в кварцевом стекле...... -30...+1000

Особым типом стеклянных жидкостных термометров является термометр Бекмана. Им измеряют не абсолютные значения температуры, а только их разности, но зато очень точно. Поэто­му область применения таких термометров ограничена. Их при­меняют главным образом при калориметрических измерениях. Цена деления шкалы равна 0, 01 К, причем расстояние между со­седними штрихами настолько велико, что можно оценить даже разности температур 0, 001 К. Собственно диапазон измерения составляет 5 К. К концу измерительного капилляра подсоединен уравнительный резервуар большего размера (рис. 18.3, в), в кото­рый можно перелить часть ртути легким постукиванием. Таким образом, можно смещать диапазон измерений от -10 до + 100 °С. Вспомогательная шкала на верхнем резервуаре облегчает настройку начальной температуры измерительного диапазона.

Экстремальные термометры применяют в тех случаях, когда необходимо зафиксировать максимальное или минимальное зна­чение температуры, достигавшееся в каком-либо опыте или про­цессе за определенный отрезок времени, не проводя непрерыв­ного наблюдения за этой температурой. Простейшим экстремаль­ным термометром является максимальный, в капилляре которо го над уровнем ртути помещен стальной указатель, который обычно остается на месте благодаря трению, но который можно перемещать при помощи внешнего магнита.

Если требуется зафиксировать также минимальную наблюдав­шуюся температуру, то применяют максимально-минимальные термометры (рис. 18.3, г). В этих термометрах основная термомет­рическая жидкость — этиловый спирт — смещает вверх или вниз тонкий столбик ртути в капилляре. Экстремальные значения здесь определяют также при помощи стержневых указателей из стали. В этом случае на термометр нужно нанести две шкалы.

Стеклянные контактные термометры позволяют передавать на расстояние один дискретный сигнал температуры, регулировать температуру в термостате и сигнализировать об опасных рабочих режимах (состояниях). Столбик ртути является одним контактом, а проволока в капилляре — другим контактом электрического выключателя. В простейшей конструкции такого термометра (рис. 18.3д) в капилляр впаяны (вплавлены) контактные штифты. При этом точка переключения фиксируется и не может быть измене­на впоследствии.

Переменную точку переключения получают при помощи кон­тактной проволоки, легко перемещаемой в капилляре (рис. 18.3, е). Проволока закреплена на микрометрическом винте, который можно вращать при помощи наружного магнита. При этом конец проволоки может быть перемещен в любую точку диапазона из­мерений. Для защиты контактов пространство над ртутью запол­няют защитным газом. Максимальный коммутационный ток че­рез контакты при напряжении 220 В переменного тока не должен превышать 50 мА. Гистерезис переключения зависит от диапазо­на измерений термометра, а также от величины электрической нагрузки на контакты и может изменяться от 0, 001 до 1 К.

Манометрические жидкостные термометры. В этих термо­метрах, как и в стеклянных, в качестве измеряемой величины, определяющей температуру, использовано изменение объема тер­мометрической жидкости, однако к чувствительному элементу должен быть подключен прибор, механически показывающий изменение объема.

Манометрические жидкостные термометры просты по конст­рукции, прочны, надежны и практически не нуждаются ни в каком обслуживании. Они позволяют передавать показание на ог­раниченное расстояние, а развиваемое ими усилие настолько велико, что к ним могут быть подключены не только показыва­ющие приборы, но и передающие преобразователи или механи­ческие регуляторы прямого действия.

Манометрический жидкостный термометр (рис. 18.4) состоит из чувствительного элемента — стального баллона, в котором находится

 

Рис. 18.4. Манометрический жидкостный тер-
мометр с компенсационным капилляром:

1 — баллон с жидкостью; 2 — корпус; 3 — спираль
основного капилляра; 4 — передаточный механизм;
5 — спираль компенсационного капилляра; 6 —
компенсационный капилляр

 

основная часть термометрической жидкости, подключенного к нему ка­пилляра внутренним диаметром 0, 1... 0, 2 мм и указателя с манометрической пружиной (трубкой Бурдона) или спиральной трубкой. Пружинная трубка преобразует расширение объема жидкости во вращательное движе­ние (или в возвратно-поступательное). По­казание указателя является в основном ли­нейной функцией температуры.

В качестве термометрической жидкости применяют ртуть (под давлением 10... 15 МПа при комнатной температуре) или же орга­ническое вещество толуол (под давлением 0, 5...5, 0 МПа). При этом могут быть получены диапазоны измерения соответственно от -30 до +600 или от -90 до +260 °С. Для более точных измере­ний при большой длине капилляра нужно обеспечить полную компенсацию погрешности.

Для этой цели используют второй (компенсационный) изме­рительный капилляр без баллона, подключенный ко второй ма­нометрической пружине. Разность перемещений обеих систем с помощью рычажного устройства передается на показывающий прибор (см. рис. 18.4). Это устраняет влияние температуры на капилляр и манометрическую пружину, поскольку окружающая среда действует на обе.

 

18.4. Электрические контактные термометры

 

18.4.1. Термометры сопротивления

 

Механические контактные термометры несмотря на малые затраты на измерение, надежность и простоту обслуживания име­ют один существенный недостаток — их сигналы не могут быть переданы на значительные расстояния и объединены с другими сигналами в информацию, пригодную для дальнейшей перера­ботки. Поэтому в промышленной практике температуру измеря ют в основном термометрами, действие которых основано на из­менении электрических свойств различных веществ с изменени­ем температуры.

Основным методом, позволяющим решить практически все проблемы измерения температуры, является определение поло­жительного или отрицательного изменения сопротивления метал­лов или полупроводников (термометров сопротивления), а также термоэлектродвижущей силы, возникающей при контакте пары, составленной из двух различных металлов или из металла и спла­ва (термоэлектрических термометров, термопар). Электрические контактные термометры, как правило, имеют более высокую точ­ность, лучшие динамические свойства и более широкий диапа­зон измерения.

Электрическое сопротивление большинства материалов суще­ственно изменяется с температурой. Этот эффект, в других обла­стях воспринимаемый как помеха, здесь используется как прин­цип измерения температуры. Температурная зависимость элект­рического сопротивления металлических проводников обусловле­на наличием свободных электронов связи в кристаллической ре­шетке металла: при понижении температуры электрическое со­противление уменьшается. В полупроводниках обычно наблюда­ется недостаток электронов проводимости; они высвобождаются только при подводе тепловой энергии (повышении температуры). В этом случае с повышением температуры электрическое сопро­тивление снижается.

В отличие от термоэлектрических термометров (термопар), с помощью которых можно измерять только разность температур по отношению к некоторому известному уровню, термометры сопротивления позволяют измерять и абсолютные значения тем­пературы. Для них необходим вспомогательный источник напря­жения, тогда как для термоэлектрических термометров он обыч­но не требуется. Диапазон измерений термометрами сопротивле­ния ограничен, в первую очередь, высокими температурами; не­линейность температурной характеристики в зависимости от ма­териала чувствительного элемента иногда может быть значительной.

Металлические элементы термометров сопротивления.

Зависимость сопротивления металлических проводников от темпе­ратуры может быть с высокой точностью описана уравнениями третьей степени. Однако при обычных требованиях к точности ограничиваются квадратичной или даже линейной функцией:

или

где α — линейный температурный коэффициент сопротивления, К; R, R₀, R_υ — сопротивление, Ом, проводника соответственно в исходном состоянии, при 0°С и при температуре υ (°С).

Так как для большинства материалов линейное уравнение не­достаточно точно выражает фактическую зависимость сопротив­ления от температуры и, следовательно, коэффициент а не явля­ется постоянной величиной, регламентируют среднее относитель­ное изменение сопротивления в расчете на Г в диапазоне от 0 до 100 °С:

где R₁₀₀, R₀ — сопротивления, определяемые в точке кипения и в точке замерзания воды.

В качестве материала для термометров сопротивления исполь­зуют металлы с хорошей электрической проводимостью, напри­мер платину, никель и медь. Средний температурный коэффици­ент сопротивления этих металлов имеет следующие значения, К: платина — 3, 85•10^-3; никель — 6, 17•10^-3; медь — 4, 27•10^-3.

На рис. 18.5 приведены основные параметры температурных характеристик сопротивления платины и никеля, а также допус­тимые отклонения от них. При этом установлено, что номинальное значение сопротивления при υ ₀ = 0 °С должно точно составлять R₀ = 100 Ом.

Используют медные термометры типа ТСМ для измерения температур от -50 до 180 °С.

а б Рис. 18.5. Основные параметры платиновых к никелевых термометров сопротивления: а — температурная характеристика сопротивления; б — допустимые отклонения

 

Зависимость сопротивления меди от температуры можно ис­пользовать для оценки средней степени нагрева обмоток элект­рических машин (генераторов, электродвигателей, трансформаторов) по величине их сопротивления. При этом датчиком тем­пературы служит сама обмотка из медного провода. Измеряя ее сопротивление в холодном и нагретом (рабочем) состояниях, можно рассчитать рабочую температуру. Таким образом, можно оценивать температуры от -50 до +150 °С.

Никель используют тоже в узком диапазоне температур — от -60 до +180 °С, тогда как платину можно применять для измере­ния температур от -220 до +750 °С, а в нейтральной атмосфере — даже до +1000 °С. Поэтому платиновые термометры сопротивле­ния наиболее широко распространены в промышленной практи­ке. Если металл для чувствительного элемента очень чист, то мо­жет быть достигнута высокая точность измерения. По этой при­чине платиновые термометры сопротивления используют для вос­произведения международной практической температурной шка­лы в интервале температур от -182, 97 до +630, 50 °С.

Полупроводниковые термометры сопротивления. Их называют также терморезисторами или термисторами (термочувствительными резисторами). Имеются два различных типа терморезисторов: с отрицательным (терморезисторы NTC) и положительным (терморезисторы РТС, позисторы) температурным коэффициентом сопротивления. При очень низких температурах все полупроводники являются идеальными изоляторами. Увели­чение их электрической проводимости с повышением температу­ры может быть приблизительно выражено экспоненциальной функцией:

 

где R_{θ 2} и R_{θ 1} — значения сопротивления, Ом, чувствительного элемента соответственно при абсолютной температуре 0₂ и эта­лонной температуре θ ₁ (например, при θ ₁ = 273, 15 К); b — некоторая постоянная величина, зависящая от материала (b = = 3000...4000 К).

Экспоненциальная характеристика, описываемая этой формулой (рис. 18.6), имеет большой и сильно изменяющийся температурный коэффициент α.

У терморезисторов NTC он изменяется в диапазоне от -1 до -6 К^-1. Большая нелинейность нежелательна из-за усложнения схемы подключения терморезистора. Тем не менее терморезисто­ры получили распространение в лабораторной и производствен­ной практике именно благодаря своему большому температурному коэффициенту сопротивления.

 

Рис. 18.6. Температурные характеристики полупроводниковых термо­метров сопротивления: 1 — обычный терморезистор NTC; 2 — высокотемпературный терморезистор; 3 — терморизистор с положительным температурным коэффициентом (РТС)

Терморезисторы с отрицательным температурным коэффици­ентом сопротивления (NTC) состоят главным образом из смесей оксидов металлов, которые при высоких температурах спекают­ся, образуя маленькие шарики, пластинки и стерженьки. Благодаря их малым размерам обеспечиваются хорошие динамические свойства при измерениях температуры.

Пределы измерения для обычных терморезисторов NTC соот­ветствуют температурам от -100 до +400 °С. При более высоких температурах длительный дрейф становится слишком большим, а сопротивление — слишком малым; при более низких температурах сопротивление становится слишком высоким, из-за чего возникают сложности с изоляцией. Имеются высокотемператур­ные терморезисторы с диапазоном измерения то 500 до 1000 °С. Погрешность терморезисторов NTC в зависимости от их элект­рической измерительной схемы может составлять 0, 1... 1, 0 % мак­симального значения в соответствующем диапазоне измерения. Терморезисторы с положительным температурным коэффициен­том (РТС) состоят из сегнетоэлектрических керамических мате­риалов. Положительный температурный коэффициент они сохра­няют до определенной температуры. Интервал рабочих темпера­тур может составлять от -20 до +200 °С, но собственно диапазон измерений в пределах этого интервала обычно составляет всего около 20 К.

Конструктивные формы чувствительных элементов термометров сопротивления. Чувствительные элементы металличе­ского термометра сопротивления представляют собой очень тон­кую платиновую или никелевую проволоку, намотанную на кар­кас (опору обмотки) или свернутую в спираль и вложенную в каналы защитного корпуса (рис. 18.7).

 

Рис. 18.7. Конструктивные исполнения чувствительных элементов ме­таллических термометров сопротивления

В зависимости от диапазона измерения несущие каркасы мо­гут быть изготовлены из термостойкой пластмассы, керамики, стекла или слюды. Чувствительные элементы цилиндрической формы могут иметь диаметр 1...6 мм при длине 6... 60 мм. По ана­логии с термопарами в чехлах разработаны чувствительные эле­менты, подсоединительные провода которых помещены в гибкую защитную оболочку, что позволяет измерять температуру в труд­нодоступных метах.

 

В отличие от металлических полупроводниковые чувствительные элементы могут иметь очень малые размеры. Например, они могут быть изготовлены в виде спеченных шариков диаметром 0, 2...0, 5 мм или в виде пластинок, стерженьков и дисков примерно такого же размера. Полупроводник выдвинут как можно ближе вперед к рабочему концу термометра и защищен оболочкой с хорошей теплопроводностью (лучше всего из серебра). Защитный чехол изготавливают из коррозионностойкой стали с низкой теплопроводностью, изоляция во внутренней полости трубки выполнена из кварцевого песка (рис. 18.8). Этим обеспечивается малая погрешность, связанная с теплопроводно­стью.

а б в Рис. 18.8. Конструкции (а...в) чувствительных элементов полупровод­никовых термометров сопротивления (термисторов): 1 — стекло; 2 — сталь; 3 — серебро

Электрическая схема для термометров сопротивления. Для измерения сопротивления используют преимущественно схемы в

виде мостов или логометров для определения отношения, питае­мые постоянным, а иногда и переменным током.

При использовании чувствительных элементов с малым номи­нальным сопротивлением R₀ (что наблюдается практически у всех металлических термометров сопротивления) и приборов с непос­редственным отсчетом показаний, проградуированных в значени­ях температуры ϑ (°С) (например, измерительных приборов со скрещенными рамками), необходимо учитывать также собствен­ное сопротивление измерительных проводов и клеммных контак­тов. Это делают при градуировке, причем с помощью подгоноч­ного резистора R_a добиваются того, что дополнительное сопро­тивление контура в сумме с измеряемым сопротивлением всегда будет составлять 10 Ом (рис. 18.9).

Рис. 18.9. Подгонка сопротивления соединительных проводов термомет­ров сопротивления: [1] — чувствительный элемент; 2 — соединительные провода; 3 — подгоночное сопротивление Ra\ 4 — источник напряжения; 5 — измерительная система со скрещенными рамками

Собственный нагрев термометров сопротивления. Под соб­ственным нагревом чувствительных элементов сопротивления понимают повышение температуры Аб над измеряемой темпера­турой окружающей среды вследствие выделения в них джоулевой теплоты (Р= Ri², Вт) при прохождении измерительного тока i. Это превышение температуры является дополнительной измеритель­ной погрешностью, зависящей не только от тока i, но и от ко личества теплоты, которое может быть отведено в окружающую среду.

Теплоотдача определяется материалом и размерами чувстви­тельного элемента, а также состоянием и термодинамическими свойствами окружающей среды. Фирмы, изготавливающие чув­ствительные элементы термометров, обычно указывают для каж­дого типа элемента максимально допустимые значения проходя­щего через него тока и падения напряжения на нем в виде диаграммы (рис. 18.10).

Рис. 18.10. Допустимые значения тока / через термометр сопротивления и падение напряжения U на нем (пример: температура окружающей среды считается постоянной)

 

Чувствительный элемент может быть использован только в левой восходящей ветви характеристики, чтобы при определен­ных краевых условиях не возникло помех от его нагрева измерительным током. Например, платиновый чувствительный элемент (Pt 100) на керамическом каркасе в металлической трубке при прохождении через него тока 3 мА нагревается в неподвижной воде примерно на 0, 01...0, 02 К, а в неподвижном воздухе — на 0, 1 К; максимальный ток не должен превышать 10 мА. У малых терморезисторов NTC максимальный ток может составлять все­го несколько микроампер.

 

⇐ Предыдущая6789101112131415Следующая ⇒

Поделиться: