Методы и приборы измерения температур

 

Принцип действия и устройство термоэлектрического термометра. Термоэлектрическим термометром называют термопару,  снабженную защитной арматурой. Принцип работы термопары состоит в следующем. Если составить замкнутую цепь из двух разнородных проводников  и  нагреть  один её спай,  то в цепи возникнет электрический ток.

Замкнутая электрическая  цепь  (рис.6а),  состоящая  из двух разнородных проводников - термоэлектродов А и В, образует термоэлемент (термопару). Спай, погружаемый в измеряемую среду, называется рабочим или горячим спаем термопары;  второй спай носит название свободного или холодного.

Рис.6. Схемы  термоэлектрических цепей:

а - цепь состоящая  из двух разнородных проводников; б - схема включения третьего проводника в цепь термопары.

Суммарную электродвижущую силу замкнутой цепи из проводников А и В,  спаи которых нагреты до температуры t и t_о можно выразить уравнением:

E_АВ(t,t_o) = e_AB(t) + e_BA(t_o),

где E_AB(t,t_o) - суммарная т.э.д.с.  термопары;  e_AB(t), e_BA(t_o) - потенциалы, возникающие в местах соприкосновения проводников. Индексы при E и e указывают направление т.э.д.с.:  от A к B или от B к A. При изменении порядка индексов, например, у символа e_BA 0должен измениться также и знак, т.е.:

E_AB(t,t_o) = e_AB(t) - e_AВ(t_o).

Так как  потенциалы е спаев зависят от температуры,  то суммарная т.э.д.с., наблюдаемая в цепи из двух разнородных проводников с разными температурами спаев,  равна разности функций температур t и t_o:

E_AB(t,to) = f₁(t) - f₂(to).

Поддерживая температуру  одного из спаев постоянной, например полагая, что t₀=const, т.е. f₂(t_o)=const, получим:

E_AB(t,to) =  f₁(t)  -  const    

или                                      E_AB(t,to) = f(t),      (*)

где  f(t)=f₁(t) - const.

Таким образом,  если  для данной термопары экспериментально, т.е. путем градуировки, найдена последняя зависимость (*), то измерение  неизвестной  температуры сводится к определению т.э.д.с.  термопары, которая невелика (0,01-0,06 мВ на 1 ^оС), но все же достаточна ля измерения посредством измерительного прибора.

При введении в цепь термопары третьего проводника  (рис.6 б), если концы последнего имеют одинаковые температуры, т.э.д.с. термопары не изменяется ( то же относится и к  нескольким  проводникам).  Поэтому  включение цепь термопары соединительных проводов, измерительных приборов и подгоночных сопротивлений не  отражается на точности измерения.

Термопары, как  правило, градуируются при температуре  свободного спая t_o=0 ^oC. В действительности же температура холодных спаев термопары отличается от 0 ^оС,  поэтому для нахождения  действительной температуры вводят поправку по уравнению:

E_AB(t,t_o) = E_AB(t,t¢_o) ± E_AB(t¢_o,t_o),

где E_AB(t,t_o) - т.э.д.с.,  развиваемая термопарой при температурах рабочего t и свободного t¢_o спаев; E_AB(t¢_o,t_o) - т.э.д.с., развиваемая термопарой при температуре рабочего спая t¢_o и свободного t_o.

Поправка E(t¢_o,t_o) имеет знак плюс в случае, когда t¢_o>t_o, а минус - в случае, когда t¢_o<t_o.

Конструктивно термопара представляет собой две  проволоки  из разнородных металлов,  нагреваемые концы которых скручиваются,  а затем свариваются или спаиваются (рис. 7).

Рис.7. Технические  термопары:

а - термопара  ТПП; б - термопары ТХК и ТХА;1 - рабочий спай;  2 - фарфоровый защитный чехол; 3 - фарфоровая трубка;  4 - металлическая трубка; 5 - термоэлектроды; 6 - фарфоровые бусы; 7 - неподвижный штуцер

 

Термоэлектроды  изолируются обычно одноканальными или двухканальными фарфоровыми трубками и помещаются в защитный чехол.  Для соединения  термоэлектродов с внешней цепью служит головка термопары, выполненная из электроизоляционного материала.

Для устранения влияния изменения температуры  окружающей среды на величину возникающей  т.э.д.с.  свободные  концы  термопары  термостатируют  или применяют  специальные компенсирующие устройства.

Соединение  термопары  с  вторичными  приборами  производится термоэлктродными проводами, изготовленными из таких же материалов что и сама термопара, или из других сплавов, развивающих в пределах до 100 ^оС т.э.д.с. равную т.э.д.с. термопары.

В качестве  вторичных приборов в комплекте с термопарами для измерения температуры используются, как правило, лабораторные или автоматические потенциометры или милливольтметры.

Основные данные серийно выпускаемых термопар приведен в таблице 2 (в скобках  указаны  верхние пределы измерения при кратковременном режиме измерения).

 

                                                                             Таблица 2

Тип	Обозначение и  название градуировки	Пределы измерений		т.э.д.   при
		нижний	верхний	tо=0 оС t=100oC
ТХК	ХК(хромель-копель)	-50 оС	600 (800) оС	6,95 мВ
ТХА	ХА (хромель-алюмель)	-50 оС	1000 (1300) оC	4,1 мВ
ТПР	ПР-30/6 (платинородий 30% платина 6%)	+300 оС	1600 (1800) оС	0 мВ
ТПП	ПП-1(платинородий 10%-платина)	-20 оС	1300 (1600) оС	0,643 мВ

 

Стандартные градуировочные характеристики некоторых термопар приведены в таблице 3.

 

Таблица 3

t, оС градуировка	0	20	40	50	60	80	100	200	300
ХК	0	1,31	2,66	3,35	4,05	5,48	6,95	14,66	22,91
ХА	0	0,80	1,61	2,02	2,43	3,26	4,10	8,13	12,21
ПП-1	0	0,112	0,234	0,299	0,368	0,500	0,643	1,436	2,314

 

Термометры  сопротивления - это датчики, принцип действия которых основан на зависимости электрического сопротивления металлов и полупроводников от температуры.  Их широко  используют  для измерения температур от -200 ^оС до +700 ^оС.

Наиболее часто  используют термометры сопротивления  из меди и платины, а также из полупроводниковых  материалов. К материалу металлического  термометра  сопротивления  предъявляются  следующие требования:

1. Химическая  инертность;

2. Постоянство  физических  свойств  в  интервале измеряемых температур;

3. Линейность  зависимости сопротивления от  температуры;

4. Высокая чувствительность;

5. Достаточно  большое  значение температурного  коэффициента сопротивления

где R₁₀₀, R₀ - сопротивление термометра при t=100 ^oС и t=0 ^oС.  Статическая характеристика металлических термометров сопротивления может быть записана в виде формулы:

R = R_o[1 + a(t - t_o)],

где a - температурный коэффициент сопротивления,  (град)^-1;  R_о -сопротивление термометра при t_о, Ом;  R - сопротивление термометра при температуре t, Ом.

Для меди и платины  температурный коэффициент сопротивления a и удельная электропроводность r соответственно равны:

  a_Cu =  4,28×10^-3, град^-1;   r_Cu  = 0,018,   Ом×мм²/м;

  a_Pt =3,9×10^-3,     град^-1;  r_Pt = 0,1,        Ом×мм²/м.

 Основные  данные серийно выпускаемых металлических  термометров сопротивления приведены  в таблице 4.

 

Таблица 4

Тип  термо- метра	обозначчение градуировки	пределы измерений  оС		Сопротивление, Ом		Приме- чание
		нижний	верхний	при 0 оС	при 100 оС
ТСП	гр.20,10П	0	650	10	13,91	платина
СП	гр.21	-200	500	46	63,99	платина
ТСП	гр.22,100П	-200	500	100	139,1	платина
ТСП	50П	-200	500	50	69,56	платина
ТСМ	гр.23	-50	180	53	75,58	медь
СМ	гр.24,100М	-50	180	100	142,6	медь
ТСМ	50М	-50	180	50	71,4	медь

 

Чувствительные  элементы  металлических термометров  сопротивления изготавливают в виде катушек с бифилярной намоткой  (провод необходимой длины складывают пополам и свободные концы наматывают параллельно друг другу на катушку).  За счет  бифилярной  намотки устраняется влияние внешних полей, вихревых и индукционных токов.

Градуировочные  характеристики некоторых  термометров  сопротивления приведены в таблице 5.

Таблица 5

t, оС градуировка	-50	0	20	40	50	60	80	100
50П	39,99	50	53,96	57,9	59,85	61,81	65,69	69,56
гр.21	36,80	46,0	49,64	53,26	55,06	56,86	60,43	63,99
гр.22, 00П	80,00	100,0	107,91	115,58	119,70	123,60	131,37	39,9
50М	39,24	50	54,28	58,56	60,70	62,84	67,12	71,4
гр.23	41,71	53,0	57,52	62,03	64,29	66,55	71,06	75,58
р.24, 100М	78,70	100,0	108,52	117,04	121,30	125,56	134,08	142,6

 

Защитная арматура термометров сопротивления обычно  выполняется также, как и в  случае промышленных термопар.

Полупроводниковые термометры  сопротивления  обладают значительно большей чувствительностью, чем металлические.

Серийно выпускаются  две группы полупроводниковых терморезисторов:

1. Термисторы  - с отрицательным температурным  коэффициентом сопротивления;  их  сопротивление уменьшается с  увеличением температуры в соответствии с уравнением: R = R_¥ ×е ^b/t,    где t  -температура;  R_¥ -сопротивление термистора при t®¥; b - постоянный коэффициент, характеризующий чувствительность полупроводникового терморезистора.