Биметаллический элемент.

Представляет собой две металлические пластины с различными коэффициентами линейного расширения, сваренные между собой (рис.34а). При изменении температуры свободный конец биметаллической пластины перемещается в сторону металла с меньшим коэффициентом линейного расширения, а изменение угла пропорционально изменению температуры.

Рис 34. Биметаллический элемент и его использование.

а) тепловое реле с биметаллическим элементом. б) автоматический выключатель с тепловой защитой на биметаллическом элементе

3.7.2. Терморезисторы.

Терморезисторы -чувствительные элементы термометров сопротивления представляет собой металлическую проволоку, намотанную на каркас (рис.35). В терморезисторах используется свойство проволоки менять своё сопротивление R в зависимости от изменения температуры среды.

Для проводниковых терморезисторов используют чистые металлы: медь, никель, платину.

кожух

проволока

выводы

Рис. 35. Терморезистор

Их статическая характеристика в диапазоне 0 – 100⁰С практически линейна. R=R₀(1+αt), где R₀ сопротивление при температуре 20⁰С, Ом, α – температурный коэффициент электрического сопротивления. Для никелевых терморезисторов характерно высокое удельное электрическое сопротивление и большое значение α и большие значения α, что позволяет выполнять датчики малых размеров.

Такие терморезисторы получили на­звание термометров сопротивления. Последние широко применяются в приборах для измерения температу­ры воздуха, воды и масла.

Металлические термометры сопротивления (рис.36) изготовляют из тонкой медной или платиновой проволо­ки, помещенной в электроизоляционный корпус. За­висимость электрического сопротивления от температу­ры (для медных термометров от -50 до +180°С, для платиновых от -200 до +650°С) весьма стабильна и воспроизводима.

Рис. 36. Конструкция термометра сопротив­ления.

Промышленность выпускает термометры сопротивления уни­фицированной конструкции для измерения температуры газооб­разных и жидких сред (рис.36). Термометр состоит из чувстви­тельного элемента 6, помещенного в защитный стальной чехол 5, на который приварен штуцер с резьбой 4, служащий для крепле­ния термометра. С помощью проводов, армированных фарфоро­выми бусами 3, чувствительный элемент соединяется с клеммной колодкой 2, расположенной в корпусе 1.

Для защиты термометров сопротивления от воздей­ствия измеряемой среды применяют защитные чехлы – каркасы. Для каркаса платиновых термометров ис­пользуют плавленый кварц или керамику на основе окиси алюми­ния.

Приборостроительная промышленность вы­пускает много модификаций защитных чехлов, рассчи­танных на эксплуатацию термометров при различном давлении (от атмосферного до 500*10⁵ Па), различной агрессивности измеряемой среды, обладающих разной инерционностью (от 40 с до 4 мин) и глубиной погруже­ния (от 70 до 2000 мм).

Платиновые термометры сопротивления (ТСП) изготовляют из проволоки диаметром 0,03 ... 0,1 мм. Намотка выполняется безындукционной (бифилярной), что обеспечивает возможность включения термометра в схему, питаемую как постоянным, так и переменным током.

Основными недостатками платины являются высокая стоимость, возможность загрязнения в восстановительной среде.

К достоинствам меди в первую очередь следует отнести низкую стоимость и возможность получения очень тонкой проволоки вы­сокой степени чистоты.

Термисторы.

Термисторы -полупроводниковые элементы изготовляют из смеси окислов никеля, кобальта, магния, титана, спрессованных и спечённых при высокой температуре в виде стержней, шайб, дисков и бусинок (рис. 37). Они имеют экспоненциальную характеристику.

Термисторы имеют большой отрицательный коэффи­циент сопротивления. При увеличении температуры их сопротивление уменьшается, тогда как у проволочных термометров сопротивления, наоборот, увеличивается.

Рис. 37. Термисторы: а – шарик из полупроводника; б – диск из плупроводника; в - трубка из полупроводника; г – характ-ка термистора.

Достоинства термисторов – их высокая чувствительность, примерно в 10 раз больше, чем у проводниковых терморезисторов. Термистор конструктивно пред­ставляет собой шарик, диск или трубку 1 из полупроводникового материала с металлическими выводами 2 (рис.38а...в). Чтобы защитить термистор от действия влаги, его покрывают слоем лака, а иногда помещают в закрытый стеклянный баллон. Характеристика термистора представлена на рис. 37 г. Следует отметить, что сопротивле­ние термистора уменьшается с ростом его температуры по закону экспо­ненты. При измерении температуры термисторы имеют ряд преимуществ перед металлическими термометрами сопротивления: высокое удельное электрическое сопротивление, благо­даря чему термистор можно сделать очень маленьким; большое значение температурного коэффициента сопротивления полупроводника; высокая чувствительность.

К недостаткам термисторов следует отнести нелинейность и нестабильность харак­теристики; разброс характеристик. Полупроводниковые термометры сопротивления (термисторы) для измерений в промышленности применяют редко, хотя их чувствительность гораздо выше, чем тер­мометров сопротивления. Это объясняется тем, что градуировочные характеристики термисторов значительно отличаются друг от друга, что затрудняет их взаимоза­меняемость.

3.7.4. Термоэлектрические датчики – термопары(рис.38).

Относятся к устройствам генераторного типа. Они работают на принципе возникновения термоэлектродвижущей силы (термо-ЭДС) в двух сваренных друг с другом разнородных сплавах металлов А и В при нагреве места спая (рис. 38). Величина ЭДС е пропорциональна разности температур δt⁰=t₁–t₂ между спаем и свободными концами, где t₁ – температура в месте спая, t₂-температура свободных концов термопары.

ЭДСтермопары определяется по формулее=к×δt⁰, где к – термоэлектрический коэффициент, зависящий от свойств материалов термопары (см. рис.38). ЭДС на свободных концах термопары объясняется тем, что энергия свободных электронов в разных металлах неодинакова и по разному зависит от температуры. Однако с её увеличением энергия свободных электронов возрастает. Это вызывает их поток к холодному концу термопары, где накапливается отрицательный заряд. Разное число свободных электронов и вызывает разность потенциалов е на свободных концах. В практике измерений температуры место спая металлов называют горячим или рабочим спаем, а с более низкой – холодным или свободным. С помощью термопары точно измеряется лишь разность температур рабочего и свободного спаев, поэтому температура последнего должна выдерживаться постоянной.

Конструктивное исполнение термопар зависит от назначения. Чаще всего электроды термопары с рабочим спаем помещают в герметизированной трубке из нержавеющей стали или фарфора, предохраняющих электроды от механических и других повреждений. Материалом термопар обычно являются хромель-копель, хромель-алюмель, платино-платинородий и др.

Генерируемая ими ЭДС составляет 0,01 – 0,07 мВ/⁰С. В качестве вторичных приборов к термопарам подключают милливольтметры, потенциометры, и электронные усилители.

горячий спай t1

термопара

е

Свободные концы– холодные t2

Рис. 38. Характеристики термопар. а - термоэлектрическая цепь; в–схема включения термопары; г - последовательное включение термопар.

Проводники 1 и 2, с помощью которых образуется термопара, называ­ются термоэлектродами. Термоэлектроды обычно изготавливают из чистых металлов (платина, золото, никель, медь, железо, вольфрам, молибден), сплавов (константан, нихром, платинородий, чугун, алюмель, копель, хромель) и полупроводниковых материалов (уголь, карборунд).

Термоэлектроды термопары соединяют между собой пайкой или сваркой.

Если термопару используют в качестве датчика, то ее сначала градуиру­ют, т. е. определяют зависимость термоЭДС от температуры рабочего конца t₁ при температуре свободного конца t₂ = 0°С (температура таяния льда).

При точном определении температуры по величине термоЭДС необ­ходимо пользоваться стандартными градуировочными таблицами.

На рис.38 приведены характеристики трех термопар, которые пред­ставляют собой почти линейную зависимость термоЭДС от температуры рабочего конца.

Термопара может включаться как непосредственно в цепь измеритель­ного прибора 2 (рис.38в), так и по компенсационной схеме. Принцип компенсации основан на уравновешивании термоЭДС термопары равным и противоположным по знаку напряжением. Этот принцип широко при­меняют в потенциометрах.

В технике часто измерительный прибор 2 расположен на значительном расстоянии от термопары 1. В этих случаях соединение измерительного прибора с термопарой осуществляется с помощью компенсационных проводов 3 (см. рис.38в). Компенсационные провода изготовляют из того же материала что и термопара.

Конструкция термоэлектрического термометра.

Рис. 39. Конструкция арматуры термоэлек­трического термометра: 1 - корпус с крышкой; 2 - клеммная коробка; 3 - фарфоровые бусы; 4 - штуцер с резьбой; 5 - защитный чехол; 6 – термопара.

Термопары обычно изготовляют сваркой или пайкой. Так как термоэлектроды должны соприкасаться друг с другом только в рабочем конце (горячем спае), то по всей длине их изолируют друг от друга. Для внутренней изоляции отдельных электродов из неблагородных металлов применяют фарфоровые одноканальные трубочки (бусы). Термоэлектроды платинородий-платиновой термопары по всей длине изолируют друг от друга фарфоровой одноканальной трубкой, надетой на платиновый электрод, или двухканальной фарфоровой трубкой. Для защиты от механических повреждений и непосредственного воздействия вредных газов термоэлектроды помещают в защитный чехол (рис.39).

В настоящее время промышленностью выпускаются термопары, изго-товленные из полупроводникового материала, которые имеют термоЭДС, равную 1 мВ/°С, т. е. в десятки раз большую, чем металлические термопары.

Основными достоинствами металлических термопар являются простота и дешевизна, большое разнообразие конструктивных форм исполнения.

В автоматике для измерения температур обычно используют не оди­ночные термопары, а несколько термопар (рис. 38г), соединенных по­следовательно. Такое соединение термопар позволяет повысить значение термоЭДС и выходную мощность термоэлектрического датчика.

К недостаткам металлических термопар можно отнести наличие пара­зитных термоЭДС (за счет примесей в металлах) и тепловую инерционность (постоянная времени термопар колеблется от нескольких минут до десятых долей секунды). Основными недостатками полупроводниковых термопар являются: сравнительно небольшой диапазон измерения температур (от 200 до 400 °С); малая прочность.