Измерительные преобразователи температуры

Лекция 2

Температура – важнейший технологический параметр. Около 40% измерений в промышленности приходится на измерение температуры. Температура – это мера внутренней энергии тела, т.е. мера хаотического движения атомов и молекул. Согласно молекулярно-кинетической теории (МКТ) средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул вещества связана с абсолютной температурой соотношением:

, где k – постоянная Больцмана. Температуру непосредственно измерить невозможно. Ее всегда измеряют путем измерения других физических величин, функционально с ней связанных. Эти функциональные зависимости были установлены в ходе многовекового развития естественно-научных дисциплин Термодинамическая температура связана с температурой Цельсия соотношением Т (К) = t єC +273,15. Измерительные преобразователи температуры можно разделить на несколько больших групп:

- термометры расширения;

- термометры сопротивления;

-манометрические термометры;

- термоэлектрические термометры (термопары);

Пирометрические термометры (пирометры – от греческого: огонь).

1. Термометры расширения бывают жидкостные, биметаллические и дилатометрические. В жидкостных термометрах в качестве рабочих жидкостей используются: ртуть (-35є СєС), толуол (-90єС+200єС), этиловый спирт (-80єС +70єС), керосин (-60єС +300єС), пентан (-200єС +20єС) и др.. Чувствительным элементом биметаллических термометров является двухслойная пластинка или двухслойная спираль. Слои отличаются температурными коэффициентами расширения. При росте температуры чувствительный элемент изгибается в сторону слоя с меньшим температурным коэффициентом. Биметаллический термометр изображен на рис. 2. В дилатометрических термометрах чувствительным элементом являются два металлических стержня с различными температурными коэффициентами. При достижении определенной температуры чувствительный элемент замыкает или размыкает какой-либо электрический контакт. Биметаллические и дилатометрические термометры применяются обычно при автоматической защите двигателей и других объектов от перегрева.

Рис. 3а 3б Рис. 4 Рис. 5

Рис. 3. Биметаллический термометр: ( а – общий вид, б – схема). Состоит из биметаллической пластины в виде спирали, жестко прикрепленной одним концом к корпусу прибора. Второй конец пластины при помощи рычага соединен со стрелкой. Под воздействием температуры спираль раскручивается в ту или иную сторону, перемещая стрелку.

Рис. 4. Схема термометра сопротивления. Термометр сопротивления состоит из чувствительного элемента 1 – платиновой или медной проволоки, бифилярано намотанной на изоляционный каркас.

Рис. 5. Электрическая схема логометра.

2. Термометры сопротивления (ТС) бывают металлические и полупроводниковые. Чувствительным элементом металлического ТС является металлическая проволока, бифилярно намотанная на изоляционный каркас. При нагревании электрическое сопротивление проволоки увеличивается. Бифилярная намотка – это намотка вдвое сложенным проводом. При такой намотке магнитные поля, создаваемые токами соседних витков, практически полностью компенсируют друг друга. Такую намотку называют также безиндуктивной. На практике чаще всего применяют медную и платиновую проволоку. Для медной проволоки имеет место температурная зависимость: , где - сопротивление проволоки при 0єС, При нагреве на 100єС сопротивление медной проволоки увеличивается на 42,6%. Медные ТС используются в диапазоне єС. Для платинового ТС справедлива зависимость: . Здесь А =3,968^.10^-3 (град^-1), В = -5,85^.10^-7 (град-²). Обычный температурный диапазон для платиновых ТС составляет -єС, расширенный диапазон: єС. Используются также никелевые ТС, для них При t ≥ 600єC используются также вольфрамовые ТС. Кроме проволочных ТС выпускаются также тонкопленочные из тонких слоев платины или ее сплавов, нанесенных на кремниевую микромембрану. В диапазоне 0єС применяются кремниевые ТС. Они встраиваются в микроструктуру для осуществления температурной компенсации. Используются также в системах, обеспечивающих безопасность нагревательных устройств.

Термисторы – это полупроводниковые ТС. Список термисторов широк. Чувствительный элемент термистора изготовляется из смеси окислов различных металлов (окиси железа, никеля, кобальта, марганца). Смесь окислов тщательно перемешивается, подвергается спеканию, из этого материала изготовляют чувствительный элемент термистора. При нагреве на 100єС сопротивление термисторов уменьшается в несколько раз. Температурная зависимость термисторов представляется в виде: . Здесь А и В – константы для данного вида термистора, Т – температура в градусах Кельвина. Типичный температурный диапазон составляетєС. Более универсальная зависимость имеет вид:

.

Позисторы напоминают термисторы, но температурный коэффициент у них положительный. Основой позисторов является титанат бария – BaTiO₃. Достоинством металлических ТС является высокая точность изготовления, хорошая взаимозаменяемость, недостатками являются: большие размеры и значительная инерционность (превышающая 10 с).

Достоинствами полупроводниковых ТС являются: малые размеры, высокое быстродействие (порядка 0,1 с); к недостаткам можно отнести: меньший температурный диапазон и разброс характеристик (более 1%).

III. Манометрические термометры. Их действие основано на измерении давления термометрического вещества в замкнутом объеме при изменении температуры. Конструктивно они представляют из себя термобаллон, полую пружину и капиллярную трубку, соединяющую термобаллон с пружиной. Существуют три типа таких термометров:

- жидкостные;

- газовые;

- конденсационные (паровые).

Рис. 5. Манометрический термометр.

На рис. 5 представлен типичный манометрический термометр МТ). В жидкостных МТ вся система заполняется ртутью или органическими жидкостями. Температурный диапазон: єС. В газовых МТ система заполняется азотом N₂. температурный диапазон у них: єС. В конденсационных МТ 2/3 баллона заполняются жидкостью, давление создают пары этой жидкости. Применяются: фреон-22 (диапазон єС), пропилен С₃Н₆ (єС), хлористый метил СН₃С l (єС), ацетон С₃Н₆О (єС), этилбензол (єС). Шкалы жидкостных и газовых МТ равномерные, а у конденсационных МТ – сильно неравномерные.

IV.Термоэлектрические термометры (термопары). Их работа основана на явлении, открытом в 1827 г. Зеебеком. Начали применяться на практике в конце 19 века. В основе эффекта лежит контактная разность потенциалов, которая возникает при электрическом контакте двух разнородных проводников. Если температуры рабочего спая и свободных концов различаются, то между металлами I и II создается ЭДС.

Контактная разность потенциалов была открыта еще раньше Алессандро Вольта в 1795 г. На практике чаще других применяются следующие термопары: 1) хромель-копель (єС); 2) хромель-алюмель (єС); 3) платинородий- платина (єС); 4) платинородий (30% родия Rh) – платинородий (6% родия) (єС); 5) вольфрам-рений (5% Re) –вольфрам-рений (20% Re) (єC)/

Термопары используются в комплекте с милливольтметрами и автоматическими потенциометрами.

V. Пирометры. Согласно современной физике, все тела испускают тепловое излучение – электромагнитные волны. Чем выше температура тела, тем сильнее оно излучает. Согласно закону Стефана-Больцмана, единица площади абсолютно черного тела излучает тепловой энергии, где - постоянная Стефана-Больцмана, . Реальные тела излучают меньше, в связи с чем вводят коэффициент серости к ≤ 1.

Рис. 6. Схема оптического пирометра с исчезающей нитью (1- телескоп, 2 - линза объектива, 3 – окулярная линза, 4 – лампа накаливания, 5 – аккумулятор, 6 – реостат, 7 – выключатель, 8 – милливольтметр, 9 – фильтр, 10 – красный светофильтр)

Бывают пирометры полного и частичного излучения. На рис. 6 изображена схема пирометра частичного (видимого) излучения. Излучение тела фокусируется оптической системой прибора на фокальную плоскость, где производится сравнение яркости источника излучения и яркости нити накала. Яркость нити накала можно регулировать с помощью реостата. Наблюдение ведется визуально через красный светофильтр. Если яркости одинаковые, то глаз видит однородную картину. Если яркость нити накала меньше, то она изображается в виде темной полоски. С помощью реостата добиваются однородной картины. Каждому положению движка реостата соответствует определенная температура. На рис. 7 представлена схема пирометра полного излучения. Излучение от источника фокусируется на рабочем спае термопары. Рабочий спай нагревается. Через рамку начинает протекать ток. Рамка поворачивается в магнитном поле, чему противодействует пружина. Чем выше температура тела, тем интенсивнее излучение, тем сильнее нагрев термопары, тем больше ЭДС, ток в рамке и угол поворота указательной стрелки.

Рис. 7. Схема радиационного пирометра (1 – телескоп, 2 – вторичный прибор, 3 – линза, 4 – окуляр, 5 – соединительные провода, 6 – объект измерения, 7 - термочувствительный элемент, 8 – диафрагма).

Дата добавления: 2013-12-14