Термометры, основанные на расширении твердых тел

К этой группе приборов относятся дилатометрические и биметаллические термометры, основанные на изменении линейных размеров твердых тел с изменением температуры.

1) Конструктивное исполнение дилатометрических термометров основано на преобразовании измеряемой температуры в разность абсолютных значений удлинений двух стержней, изготовленных из материалов с существенно различными термическими коэффициентами линейного расширения:

, 1/град,

где l₀, l_t1, l_t2 - линейные размеры тела при 0 °С, температурах t₁ и t₂ соответственно.

В силу того, что Db мала, дилатометрические термометры применяются в качестве различного рода тепловых реле в устройствах сигнализации и регулирования температуры.

2) Биметаллические термометры основаны на деформации биметаллической ленты при изменении температуры. Обычно применяются биметаллические ленты, согнутые в виде плоской или винтовой спирали. Один конец спирали укреплен неподвижно, второй - на оси стрелки. Угол поворота стрелки равен углу закручивания спирали, который пропорционален изменению температуры.

Биметаллические термометры обеспечивают изменение температуры с относительными погрешностями 1 - 1,5 %.

 

Газовые манометрические термометры

В основу принципа действия манометрического термометра положена зависимость между температурой и давлением термометрического (рабочего) вещества, лишенного возможности свободно расширяться при нагревании.

Манометрические термометры обычно включают в себя термобаллон, капиллярную трубку и трубчатую пружину с поводком, зубчатым сектором и стрелкой. Вся стистема заполняется рабочим веществом. При нагревании термобаллона, установленного в зоне измеряемой температуры, давление рабочего вещества внутри замкнутой системы увеличивается. Увеличение давления воспринимается манометрической пружиной, которая воздействует через передаточный механизм на стрелку или перо прибора.

Газовые манометрические термометры основаны на зависимости температуры и давления газа, заключенного в герметически замкнутой термосистеме.

Достоинства: шкала прибора практически равномерна.

Недостатки: сравнительно большая инерционность и большие размеры термобаллона.

 

Жидкостные манометрические термометры

В качестве манометрической жидкости в приборах этого типа применяется метиловый спирт, ксилол, толуол, ртуть и т.д.

Жидкостные манометрические термометры имеют равномерную шкалу.

 

Конденсационные манометрические термометры

Конденсационные манометрические термометры реализуют зависимость упругости насыщенных паров низкокипящей жидкости от температуры. Поскольку эти зависимости для используемых жидкостей (хлористый метил, этиловый эфир, хлористый этил, ацетон и др.) нелинейны, следовательно, и шкалы термометров неравномерны. Однако, эти приборы обладают более высокой чувствительностью, чем газовые жидкостные.

 

Электрические термометры

Принцип действия этого типа термометров основан на зависимости термо-ЭДС (ТЭДС) цепи от изменения температуры.

В термоэлектрической цепи, состоящей из двух проводников А и В (см. рис. 2.1) возникают 4 различные ТЭДС: 2 ТЭДС в местах спаев проводников А и В, ТЭДС на конце проводника А и ТЭДС на конце проводника В. Суммарная ТЭДС, возникающая при нагреве спаев проводников до температур t и t₀:

E_AB(t t₀) = e_AB(t) + e_BA(t₀),

где e_BA и e_AB - ТЭДС, обусловленная контактной разностью потенциалов и разностью температур концов А и В.

ТЭДС E_AB(t t₀) является функцией от температуры горячего спая t при условии постоянства температуры холодного спая t₀.

Термопары градуируются при определенной постоянной температуры t₀ (обычно t₀ = 0 °C или 20 °C). При измерениях температура t₀ может отличаться от градуировочного значения. В этом случае вводится соответствующая поправка в результат измерения:

E_AB(t t₀) = E_AB(t t₀^’) + E_AB(t₀^’t₀).

Поправка E_AB(t₀^’t₀) равна ТЭДС, которую развивает данная термопара при температуре горячего спая t₀^’ и градуировочном значении температуры холодных спаев. Поправка берется положительной, если t₀^’ > t₀, и отрицательной, если t₀^’ < t_0.

Величина поправки может быть взята из градуировочной таблицы.

Конструктивное исполнение термопар разнообразно и зависит главным образом от условий их применения. При необходимости измерения небольшой разницы температур или получения большой ТЭДС применяются дифференциальные термопары и термобатареи, представляющие собой несколько последовательно соединенных термопар.

Компенсация изменения температуры холодных спаев термопар. Правильное измерение температуры возможно лишь при постоянстве температур свободных спаев t₀. Оно обеспечивается с помощью соединительных проводов и специальных термостатирующих устройств. Соединительные провода в данном случае предназначены для переноса свободных концов термопары в зону с известной постоянной температурой, а также для подсоединения свободных концов термопары к зажимам измерительных приборов. Соединительные провода должны быть термоэлектрически подобны термоэлектродам термопары.

Как правило, соединительные провода для термопар, изготовленных из неблагородных металлов, выполняются из тех же самых материалов, что и термоэлектроды. Исключение составляет хромель-алюмелевая термопара, для которой с целью уменьшения сопротивления линии в качестве соединительных проводов применяется медь в паре с константаном.

Градуировки термопар: ХА - хромель-алюмелевые (по международной классификации – градуировка К); ХК - хромель-копелевые (L); ПП - платинородий-платиновые (S) и др.

Требования к термопарам:

1) воспроизводимость,

2) высокая чувствительность,

3) надежность,

4) стабильность,

5) достаточный температурный диапазон.

 

Таблица 2.1 - Материалы, используемые для изготовления термопар

Название	Состав	ТЭДС, мВ (при t0 = 0 °C и t1 = 100 °C)	Максимальный темпер. предел, °C
Хромель	10% Cr + 90 % Ni	+2,95
Платинородий	90 % Pt + 10 % Rh	+0,86
Медь	Cu	+0,76
Платина	Pt
Алюмель	95 % Ni + 5 % Al	-1,2
Копель	56 % Cu + 44 % Ni	-4
Константан	60 % Cu + 40 % Ni	-3,4

 

 

 

 

Методы и средства для измерения ТЭДС:

1) Метод непосредственной оценки (с помощью милливольтметра);

2) Компенсационный метод (с помощью потенциометров).

 

Термометры сопротивления

Измерение температуры термосопротивлениями основано на свойстве проводников и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление при изменении температуры.

Вид функции R = f(t) зависит от природы материала и может быть записан как линейное уравнение

R = R₀^.(1 + a^.t),

где a - температурный коэффициент сопротивления, t – температура.

Для изготовления чувствительных элементов серийных термосопротивлений применяются чистые металлы, к которым предъявляются следующие требования:

а) металл не должен окисляться или вступать в химические реакции с измеряемой средой;

б) температурный коэффициент электрического сопротивления металла a должен быть достаточно большим и неизменным;

в) функция R = f(t) должна быть однозначна.

Наиболее полно указанным требованиям отвечают: платина, медь, никель, железо и др.

Основной недостаток термосопротивлений: большая инерционность (до 10 мин).

Для измерения температуры наиболее часто применяются термосопротивления типов ТСП (платиновые) и ТСМ (медные).

 

Пирометры излучения

Пирометры излучения основаны на использовании теплового излучения нагретых тел. Верхний предел измерения температуры пирометра излучения практически не ограничен. Измерение основано на бесконтактном способе, поэтому отсутствует искажение температурного поля, вызываемое введением преобразовательного элемента прибора в измеряемую среду. Возможно измерение температуры пламени и высоких температур газовых потоков при больших скоростях.

Лучистая энергия выделяется нагретым телом в виде волн различной длины. При сравнительно низких температурах (до 500 °С) нагретое тело испускает инфракрасные лучи. По мере повышения температуры цвет тела от темно-красного доходит до белого. Возрастание интенсивности монохроматического излучения с повышением температуры описывается соответствующими уравнениями.

 

Цветовые пирометры

В цветовых пирометрах определяется отношение интенсивности излучения реального тела Е_l в лучах с двумя заранее выбранными значениями длины волны l₁ и l₂, то есть показания цветовых пирометров определяются функцией f(Е_l1 / Е_l2). Это отношение для каждой температуры различно, но однозначно.