Электрические контактные термометры

<23 24 252627 28 29 >

Термометр сопротивления металлический (рис. 4.70, а) состоит из чувствительного элемента(термопреобразователя) в виде терморезистора, защитного чехла и соединительной головки.

Чувствительный элемент металлического термометра сопротивления выполняется в виде обмотки на каркасе из теплостойкого изоляционного материала. О температуре судят по изменению электрического сопротивления его чувствительного элемента, падению напряжения на нем при постоянном токе или значению тока при постоянном напряжении.

Однако измерить температуру одним лишь термометром сопротивления нельзя. Необходим прибор, который бы фиксировал изменение сопротивления термометра в зависимости от температуры окружающей его среды. Такими приборами являются либо мосты (уравновешенные или неуравновешенные), либо логометры.

Электрический термометр сопротивления (чувствительный элемент) погружается в контролируемую среду и соединяется электрическими проводами с вторичным прибором (мостом или логометром), шкала которого градуируется в единицах температуры.

Для изготовления чувствительных элементов из проводниковых материалов должны применяться чистые металлы, отвечающие следующим основным требованиям:

1. Иметь большой температурный коэффициент сопротивления, который принято определять следующим уравнением (температурный коэффициент сопротивления а показывает, как изменяется сопротивление материала при изменении температуры окружающей среды на 1 °С):

где г₀ и r₁₀₀— сопротивление материала соответственно при 0 и 100 °С.

2. Зависимость сопротивления металла от температуры при
графическом ее представлении должна выражаться прямой или
плавной кривой линиями.

3. Металл должен быть химически и механически стойким в измеряемой среде.

4. Удельное сопротивление материала должно быть достаточно большим с тем, чтобы чувствительный элемент имел небольшие габариты.

Наиболее полно указанным требованиям отвечают платина и медь, из которых серийно изготавливаются технические термометры сопротивления для измерения температуры в интервале от —200 до 750°С (платиновые) и от —50 до + 180°С (медные).

Конструкция технических термометров с металлическим термопреобразователем сопротивления показана на рис. 4.71

Тонкая проволока или лента 1 из платины или меди наматывается бифилярно на каркас 2 из керамики, слюды, кварца, стекла или пластмассы. Бифилярная намотка необходима для исключения индуктивного сопротивления. После намотки обычно неизолированной платиновой проволоки каркас вместе с проволокой покрывают слюдой. Длина намотанной части каркаса с платиновой проволокой 50—100 мм, а с медной — 40 мм. Каркас для зашиты от повреждений помещают в тонкостенную алюминиевую гильзу 3, а для улучшения теплопередачи от измеряемой среды к намотанной части каркаса между последней и защитной гильзой 3 устанавливаются упругие металлические пластинки 4 или массивный металлический вкладыш. Помимо наматываемого проволокой каркаса используются двух- и четырехканальные керамические каркасы. В каналах размещают проволочные платиновые спирали, которые фиксируются в каналах каркаса с помощью термоцемента на основе оксида алюминия и кремния.

При изготовлении медных термопреобразователей сопротивления применяют безындукционную бескаркасную намотку. В качестве материала используют изолированную медную проволоку диаметром 0,08 мм, покрытую фторопластовой пленкой. Гильзу 3 с ее содержимым помещают во внешний, обычно стальной, замкнутый чехол 5, который устанавливается на объекте измерения с помощью штуцера 6. На внешней стороне чехла располагается соединительная головка 8, в которой находится изоляционная колодка 7 с винтами для крепления выводных проводов, идущих от каркаса через изоляционные бусы 9. Термопреобразователи сопротивления по внешнему виду и размерам аналогичны термоэлектрическим преобразователям.

Рис. 4.71. Конструкция термометра с металлическим термопреобразователем сопротивления

Технические термометры сопротивления, как платиновые (обозначаются ТСП), так и медные (ТСМ) выпускаются взаимозаменяемыми, т. е. стандартных градуировок: они имеют строго определенные значения сопротивления обмотки при О °С (г₀). Это сопротивление должно быть достаточно большим, так как для точного измерения нужно, чтобы приращение сопротивления термометра от измеряемой температуры было заметным. С другой стороны, увеличение сопротивления г₀ требует применения более тонкой проволоки, что ведет к уменьшению механической прочности обмотки термометра.

В технических термометрах сопротивления отечественного производства приняты следующие значения г₀ (в скобках указана градуировка):

Для платиновых Для медных

10 Ом (Гр 20); 46 Ом

(Гр 21), 100 Ом (Гр 22)

53 Ом (Гр 23); 100 Ом

(Гр 24)

Обозначение градуировки термометра обычно выбивается на головке защитной арматуры.

Основные данные серийно выпускаемых платиновых и медных термометров сопротивления приведены в табл. Ш-1.

Таблица Ш-1.

Тип термометра сопротивле- ния	Сопротивление при 0°С, Ом	Градуировка	Пределы измерения температур при длительном применении, "С⁰
			нижний	верхний
Тсп Тсп Тсп Тсм Тсм	46± 0,023 53± 0,053 100±0,05	Гр 20 Гр 21 Гр 22 Гр 23 Гр 24	—200 —200 —50 —50

Термометр сопротивления полупроводниковый (рис. 4.70, 6) аналогичен металлическому, но его чувствительный элемент выполнен в виде шайбы или бусинки из полупроводникового материала с двумя электрическими выводами.

Термоэлектрические термометры.

Термоэлектрическими термометрами называют
устройства для измерения температуры, в комплект которых вхо-
дит электроизмерительный прибор (милливольтметр, потенцио-
метр) и термопара, соединенные электрическими проводами.

Принцип действия этих термометров основан на явлении термоэлектрического эффекта, сущность которого заключается в следующем. Если рассматривать замкнутый контур, образованный двумя проводниками (термоэлектродами) А и В из разных металлов или сплавов (рис. Ш-18,а),

концы которых 1 и 2 соединены, а температуры мест соединения различны (соответственно t₁ и t₀), то в таком контуре возникает электродвижущая сила Еав( t₁, t₀) , называемая термоэлектродвижущей силой (т. э. д. с). Величина и направление этой т. э. д. с. зависит от материалов термоэлектродав А и В (термопары) и от разности температур t₁ и t₀ (чем эта разность больше, тем больше т.э.,д.с).

Термоэлектрический эффект можно несколько упрощенно объяснить наличием в металлах термоэлектродов термопар свободных электронов, концентрация которых при одной и той же температуре различна для разных металлов. Если, например, в металле термоэлектрода А содержание свободных электронов больше, чем в металле электрода В, то электроны в местах спаев будут диффундировать из электрода А в электрод В, при этом электрод А будет заряжаться положительно, а электрод В — отрицательно.

Из допущения о том, что t₁>to, следует вывод о более интенсивном переходе электронов из А в В в месте соединения 1, чем в месте соединения 2, при этом потенциал e_t₁ точки 1 будет выше потенциала e_to точки 2.

Помимо описанного явления в каждом из электродов А и В электроны будут переходить от более нагретого конца (точка /) к менее нагретому концу (точка 2), что также будет влиять на величину т. э. д. с.

Результирующая т. э. д. с. термопары будет равна:

E_AB₍_t_1,_t₀₎= e_t₁– e_t₀

Из равенств (10) и (11) видно, что суммарная т. э. д. с. термопары (рис. Ш-18, а) зависит как от температуры места соединения 1, так и от температуры места соединения 2. Это значит, что при изменении этих температур по какому-то неизвестному закону величина E_AB(t_lyt₀) будет неопределенной.

Если, например, температуру t₀ поддерживать постоянной и известной, то результирующая т. э.д. с. термопары будет зависеть только от температуры t_t места соединения термоэлектродов 1, а равенство (11) примет вид:

E_AB(t_lyt₀) = ƒ (t₁) - С (12)

где

С == ƒ (t₀) = const

Т.э. д. с, развиваемая термопарами, изготовленными из различных материалов, невелика (0,01—0,06 мВ/°С), но с помощью электроизмерительного прибора может быть измерена с высокой точностью.

Однако измерить т. э.д. с. термопары в замкнутом контуре (см. рис. Ш-18, а) не представляется возможным. Необходимо разорвать контур и в место разрыва подключить электроизмерительный прибор.

На рис. Ш-18, б показана схема подключения электроизмерительного прибора Э в цепь термопары с разрывом контура в ме сте соединения 2, а на рис. Ш-18, б — с разрывом контура в термоэлектроде В (точки 3; 3')

Чаще всего электроизмерительный прибор Э включается в контур термопары с помощью проводников С по схеме, показанной на рис. Ш-18,0. Термопара своим соединенным концом 1 погружается в контролируемую среду. Этот конец является рабочим носит название горячего, спай, а конец 2—2', к которому включаются соединительные провода электроизмерительного прибора, является свободным и носит название холодного спая. Если температура холодного спая поддерживается постоянной а температура горячего спая равна температуре контролируемой среды, в которую помещена термопара, то т.э.д.с. термопары E_AB(t_lyt₀) будет отражать измененияконтролируемой температуры: будет увеличиваться при увеличении t₁и уменьшаться при ее понижении.