Термометры сопротивления (терморезисторы).

Электрическое сопротивление большинства материалов существенно изменяется с температурой. В данном случае это свойство используется в качестве принципа измерения температуры. Различают металлические (проводниковые) и полупроводниковые термометры сопротивления. У металлических проводников эта температурная зависимость связана со свободными электронами связи в металлической решетке. При падении температуры уменьшаются тепловые колебания ионов около своих положений равновесия. Это приводит к уменьшению рассеяния электронов на неоднородностях кристаллической решётки и, следовательно, к уменьшению электрического сопротивления.

В полупроводниках обычно наблюдается недостаток электронов проводимости. Электроны, необходимые для электропроводности, освобождаются главным образом за счёт подвода тепловой энергии (повышения температуры). Таким образом, при росте температуры полупроводников их электрическое сопротивление падает.

Чувствительный элемент термометра сопротивления называется терморезистором.

Металлические термометры сопротивления. Зависимость сопротивления металлических проводников от температуры может быть с весьма высокой точностью описана уравнением третьей степени. При обычных требованиях к точности ограничиваются квадратичной или даже линейной зависимостью

 R_t = R₀ (1+at),

где R_0, R_t - величина сопротивления проводника в исходном состоянии, при 0 ⁰С и при температуре t, ⁰С, соответственно, Ом; a - линейный температурный коэффициент сопротивления, 1/К.

В качестве материала для термометров сопротивления используют металлы с хорошей электропроводностью, такие как платина (a_{pt 0;100} = 3,85·10^-3 К^-1), никель (a_{Ni 0;100} = 6,17·10^-3 К^-1) и медь (a_{Cu 0;100} = 4,27·10^-3 К^-1).

Никель используется для измерения температуры от –60 до +180°С, платина – от –220 до 1300°С, медь от –200 до 200⁰С.

Чувствительный элемент металлического термометра сопротивления представляет собой тонкую платиновую, медную или никелевую проволку, намотанную на слюдяной или керамический каркас, который затем защищается металлическим корпусом.

Платиновый терморезистор (рис. 4,а) состоит из двух или четырёх соединённых последовательно платиновых спиралей 2, к которым припаяны выводы 1. Спирали помещают в каналы керамического каркаса 3. Спирали и выводы в каркасе крепят глазурью 4. Пространство между спиралями и каркасом засыпают керамическим порошком, который служит изолятором и создаёт подпружинивание спиралей.

Рис.4 Конструкция металлических терморезисторов:

а) платинового; б) медного.

  Медные терморезисторы представляют собой бескаркасную безындукционную намотку 3 из медной проволоки диаметром 0,08 мм, покрытую фторопластовой плёнкой 4. К намотке припаяны два вывода 1. Для обеспечения виброустойчивости намотку помещают в тонкостенную металлическую гильзу 5, засыпанную керамическим порошком 6 и герметизированную термоцементом 2.

Полупроводниковые термометры сопротивления. Имеются два различных типа терморезисторов: с отрицательным (NТС – терморезисторы) и положительным (РТС – терморезисторы, позисторы) температурным коэффициентом сопротивления.

Для их изготовления применяют германий, медно-марганцевые (ММТ) и кобальто-марганцевые (КМТ) соединения, сплавы и окислы урана, серебра, никеля. Чувствительность полупроводниковых терморезисторов значительно выше, чем у металлических термометров сопротивления, что позволяет их изготавливать малогабаритными. Причем их сопротивление резко уменьшается с увеличением температуры. Это свойство позволяет их использовать в криогенной технике для измерения низких температур. Полупроводниковые терморезисторы могут быть выполнены в виде стержня, диска, шайбы, шарика, иглы, пленки и других форм с металлическими выводами. Для защиты от влаги чувствительные элементы покрывают слоем лака или стекла.

Термоэлектриче­ские термометры (термопары).

Работа термопары основана на термоэлектрическом эффекте Зеебека, согласно которому в цепи, состоящей из двух разнородных проводников А и В, где точки их соединения (спаи) находятся при различных температурах, протекает ток. На концах такой разомкнутой цепи можно измерить термоэлектродвижущую силу (термо-ЭДС), величина которой зависит от разности температур на спаях.

Рис.5 Термопары.

Если температура t₀ одного спая известна, то это значение может быть использовано в качестве меры разности измеряемой температуры t₁ и контрольной температуры t₀. Место соединения проводников, помещаемое в среду с измеряемой температурой, называют рабочим (горячим) спаем термопары, а другое соединение, находящееся при температуре t₀ – свободным (холодным).

Материал термоэлектродов должен отвечать следующим требованиям: приемлемая цена, высокая надежность, высокая чувствительность к изменению температуры, приемлемые динамические свойства, механическая прочность при высоких и низких температурах, устойчивость против коррозии, стабильность термоэлектрических свойств. Для изготовления термопар применяется платина, золото, никель, медь, железо, вольфрам, хромель, алюмель, родий, копель и другие.

Чтобы измерить температуру среды термоэлектрическим термометром, необходимо измерить термо-ЭДС, развиваемую термометром, и определить температуру свободного спая. Для удобства измерения свободный спай поддерживается при постоянной температуре, равной 0 ⁰С. Измеряемая температура t₁ определяется сразу из градуировочной характеристики (таблиц или графиков), устанавливающей зависимость термо-ЭДС от температуры рабочего спая. Если , то необходимо вводить поправку.

Для правильного измерения температуры нужно обеспечить постоянство температуры холодного конца. Для этого свободный спай удаляют от места измерения температуры, что осуществляется с помощью специальных (компенсационных) проводов.

Для измерения весьма малых разностей температур применяют термобатареи - ряд последовательно соединенных термопар. В этом случае термо-ЭДС суммируется. Число спаев термобатареи может достигать нескольких сотен.

Оптические пирометры.

Рассмотренные выше термометры для измерения температуры являются контактными, которые предусматривают непосредственный контакт между чувствительным элементом термометра и окружающей или исследуемой средой. Верхний предел применения контактных методов измерения находится в пределах 2500°С. В промышленных и лабораторных исследованиях возникает необходимость измерять более высокие температуры, кроме того, часто недопустим непосредственный контакт термометра с измеряемым телом или средой. Таким термометром с допустимой погрешностью до 4 % является оптический пирометр, принцип работы которого основан на использовании теплового излучения тел в видимой области спектра. Серийно выпускаемые пирометры применяются для измерения температур от 20 до 6000^°С. Такие средства измерения не имеют верхнего предела измеряемой температуры, он определяется соответствием спектров излучения измеряемых тел и спектральных характеристик устройств. Пирометры, применяемые для измерения температур, подразделяют на следующие типы: квазимонохроматические, полного излучения и спектрального отношения.

а) Пирометр, действие которого основано на использовании зависимости абсолютной температуры тела Т и спектрального распределения энергетической яркости, называется квазимонохроматическим пирометром. Эта связь устанавливается формулой Планка:

,

где С_1, С₂ – первая и вторая постоянные излучения; В_0lт – спектральная энергетическая яркость абсолютно черного тела; l - длина волны.

Температура реального тела в квазимонохроматическом пирометре определяется по спектральной энергетической яркости излучения В_lт, а так как пирометр градуируется по излучению черного тела, то он покажет температуру абсолютно черного тела Т_я, при которой спектральные энергетические яркости тела В_lт и абсолютно черного тела В_0lт будут равны. Такая условная температура Т_я называется яркостной температурой.

Действительная температура тела определяется по яркостной температуре Т_я, показываемой пирометром, по выражению:

_,

где

Для определения Т необходимо знать длину волны l и коэффициент теплового излучения (коэффициент черноты) e_lт. Квазимонохроматические пирометры работают на участке длин волн, эквивалентных длине волны l = 0,65 мкм, коэффициент черноты e_lт в каждом конкретном случае уточняется с помощью дополнительных средств измерения. А для широко используемых материалов приводится в теплотехнических справочниках.

Рис. 6. Оптический пирометр с исчезающей нитью.

Одним из наиболее распространенных квазимонохроматических пирометров является пирометр с исчезающей нитью. Он состоит из телескопа 1, в фокусе которого помещена вольфрамовая нить пирометрической лампы 2, окуляра 3, через который наблюдатель проводит измерение. За окуляром установлен светофильтр 5, пропускающий лучи лишь одной длины волны. Между объективом телескопа и пирометрической лампой помещено поглощающее стекло 6, которое предназначено для ослабления яркости исследуемого объекта при измерении температур выше 1400°С. Регулировка тока накала пирометрической лампы осуществляется реостатом 7. В качестве показывающего прибора используется миллиамперметр 8. Рассмотренный пирометр работает по методу сравнения в узком интервале длин волн видимой области спектра яркости измеряемого тела с яркостью контрольного излучателя – накаленной нити вольфрама. Благоприятная для чувствительного глаза длина волны (l = 0,65мкм) в видимой части спектра обеспечивается установкой красного светофильтра. Изменяя энергетическую яркость контрольного излучателя посредством изменения мощности нагрева нити пирометрической лампы 2, с помощью реостата 7 достигается условие исчезновения верхней части нити накала на фоне изображения исследуемого тела, что соответствует равенству энергетической яркости исследуемого объекта и контрольного излучателя. Таким образом, по величине тока накала пирометрической лампы замеренная температура определяется либо с помощью градуировочной характеристики, либо непосредственно отсчитывается по температурной шкале прибора. Существенным недостатком этого прибора является субъективность полученных результатов измерения, которые зависят от чувствительности человеческого глаза. Поэтому в настоящее время разработаны приборы, где в качестве светочувствительного элемента применяют фотоэлементы, фотодиоды и фототранзисторы, например, автоматический квазимонохроматический фотоэлектрический пирометр. Кроме получения объективных результатов измерения температуры, такие приборы позволяют автоматизировать и соответственно ускорять процесс измерения, используя в них в качестве измерительного прибора быстродействующие автоматические потенциометры. Допускаемая погрешность таких приборов достигает 1,5 % от верхнего предела измерения.

б) Принцип работы пирометров спектрального отношения основан на измерении температуры путем измерения соотношения энергетических яркостей нагретого тела на двух узких участках длин волн в видимом спектре излучения. Действительная температура тела Т определяется по цветовой температуре Т_ц из соотношения:

=

Чтобы определить действительную температуру Т по его цветовой температуре Т_ц, показываемой пирометром, необходимо знать длины волн l₁ и l₂, при которых определяется отношение спектральных энергетических яркостей и отношение коэффициентов черноты e_l1Т, e_l2Т при данных длинах волн. Ввиду того, что отношение e_l1Т, e_l2Т близко к единице, данный тип пирометров имеет наименьшую погрешность измерения, не превышающую 1% от верхнего предела измерения. Предел измерения температур составляет от 200 до 2800⁰С. Светочувствительным элементом пирометров спектрального отношения является фотоэлемент. Широкое распространение в области измерений нашел прибор ПИТ-1 (пирометр истинной температуры). В этом приборе осуществляется автоматическое введение поправки, вычисляемой на основе информации, хранящейся в его памяти.

в) Пирометры полного излучения осуществляют измерения температуры путем измерения полной энергетической яркости тела. Действительная температура тела Т определяется по радиационной температуре Т_р пирометра:

                                      

Из этого выражения видно, что для определения действительной температуры тела Т по радиационной температуре Т_р необходимо знать только значение интегрального коэффициента черноты тела e_Т. Однако на практике точно определить значение величины e_Т представляет большие трудности, поэтому такие пирометры имеют наибольшую методическую погрешность. Рекомендуемый диапазон измерения температур составляет от 30 до 2500⁰ С. В качестве чувствительного элемента, воспринимающего излучение, применяются термические приемники излучения: термобатареи или болометры (терморезисторы). Для концентрации излучения на спаях термобатареи используют рефракторные (с собирающей линзой) или рефлекторные (с вогнутым зеркалом) оптические системы. В нашей стране серийно выпускаются пирометры типа АПИР – С.

Кроме описанных приборов для измерения температуры, нашедших широкое применение в практике, в особых случаях могут быть применены устройства, принцип работы которых основан на иных физических или химических эффектах.

Порядок выполнения работы

1. Проверить правильность электрических соединений и исправность приборов.

2. Открыть вентиль 6 (рис. 6a) на подающем нуль-термостате трубопровода и убедиться в наличии протока воды через нуль-термостат.

3. Включить в сеть нуль-термостат (включение прибора производится при наличии протока воды через прибор). Подождать 10-15 минут до установки 0°С "холодного спая" термопары, определяемого по миганию лампочки прибора.

Рис. 6 a. Схема лабораторной установки: