Биметаллические и дилатометрические термометры

Разница коэффициентов линейного теплового расширения двух различных материалов может быть использована при конструировании термометров. Эта разность дается уравнением

(19.19)

где l - длина сенсора, и - коэффициенты линейного теплового расширения двух материалов, - изменение температуры.

В большинстве случаев термометры конструируются как трубка из материала имеющего больший коэффициент теплового расширения и коаксиального стержня из материала с меньшим коэффициентом. Они называются соответственно - активный и пассивный материал. Пара материалов должна иметь как можно большую разницу коэффициентов теплового расширения, высокую рабочую температуру и хорошую коррозионную стойкость.

Относительное удлинение различных материалов при изменении температуры показано на рис. 19.10.

Рис. 19.10. Принцип действия дилатометрического термометра

Поскольку разница расширений двух материалов разумной длины обычно очень мала, чтобы давать прямой отсчет температуры, необходимо использовать усиление этой разницы с помощью различных механических преобразователей (рис. 19.12).

Рис. 19.11. Относительное тепловое расширение материалов, используемых для дилатометрических термометров.

Рис. 19.12. Поперечное сечение дилатометрического термометра.

Термометр в виде биметаллической пластины показан на рис. 19.13. Биметаллическая пластина конструируется так, чтобы при нормальной температуре, обычно 20 С, она была плоской и изгибалась в сторону пассивного материала при нагревании. Наиболее типичные формы биметаллических термометров показаны на рис. 19.14. Отклонение конца пластины или угол поворота спирали может быть выражен в с помощью коэффициента изгиба k.

Рис. 19.13. Биметаллическая пластина

Для плоской пластины (a)

(19.20)

Для U - образной пластины (b)

(19.20)

Для спирали (c), (d)

(19.20)

где - разность температур, l -длина в мм, d - толщина пластины в мм, k - коэффициент изгиба в 1/С.

Рис. 19.14. Типичные формы биметаллических термометров.

Наиболее часто используются биметаллические термометры с геликоидальной спиралью. В термометре изображенном на рис19.14 используется защитный цилиндр из нержавеющей стали длиной около 250 мм. Диаметр цилиндра около 6-10 мм. Температурный интервал измерений может быть от -60 С до 500 С, а ошибка измерений составляет ±(1-2)% от всей шкалы. Чаще всего применяют медноцинковый сплав – латунь (70% Cu+ 30% Zn) и сплав железа с никелем - инвар (64% Fe+ 36% Ni), с существенно различными коэффициентами теплового расширения: порядка 0,000019 град для латуни и 0,000001 град^-1 для инвара.

Термометры сопротивления

Введение

Принцип действия термометра сопротивления основан на изменении электрического сопротивления термометрического тела с изменением температуры.

Первые исследования зависимости сопротивления платины от температуры были выполнены Hamphrey Davy, английским химиком, в 1921. Позднее, в 1871, Siemens предложил использовать это явление для измерения температуры. Предложенный им датчик из платиновой проволоки был в 1874 тщательно исследован комитетом, в который входили лорд Кельвин и Джеймс Кларк Максвелл. При исследовании было установлено, что предложенный Siemens термометр обладает тепловым гистерезисом, т. е. зависимость сопротивления от температуры в процессе нагрева не совпадает с зависимостью, измеренной при последующем охлаждении.

По этой причине термометр не был рекомендован для использования. Однако исследования платины, как материала для датчиков температуры, продолжил Каллендер, который и опубликовал в 1887 работу „О практическом измерении температуры“. Каллендер устранил причины гистерезиса и предложил уравнение для описания зависимости сопротивления платины от температуры, которое сегодня носит его имя.

Так как измерение электрического сопротивления легко производить с высокой степенью точности, то возможность создания точного термометра сопротивления сводится в основном к отысканию материала, имеющего достаточно резко выраженную и постоянную зависимость электрического сопротивления от температуры.

Сопротивление металлов

У большинства чистых металлов сопротивление увеличивается примерно на 40-60% при изменении температуры от нуля до 100 С; с другой стороны, у окислов металлов и их сульфидов, а также у водных растворов солей и кислот сопротивление уменьшается с ростом температуры, причем значительно сильнее (в 4 - 9 раз), чем возрастает сопротивление у чистых металлов. Однако изменение сопротивления у окислов металлов и их сульфидов, а также растворов солей и кислот непостоянно с изменением температуры и сильно изменяется в зависимости от химического состава вещества. Получение же таких веществ определенного химического состава и стойких к изменению своего состава в присутствии других тел затруднительно.

Таким образом, в настоящее время термометрическими веществами, пригодными для термометров сопротивления, следует считать главным образом чистые металлы, особенно те, которые являются химически стойкими в широком интервале температур и зависимость сопротивления которых от температуры в этом широком интервале изменения температуры подчиняется сравнительно простым закономерностям.

Свободные электроны, осуществляющие электрическую проводимость в металлах, рассеиваются дефектами кристаллической решетки и тепловыми колебаниями ионов. Эти процессы ограничивают проводимость и определяют, таким образом, удельное электрическое сопротивление . Удельное сопротивление является функцией числа свободных электронов, приходящихся на один атом металла n, скорости электронов v, заряда электрона e и их эффективного среднего свободного пробега l.

Средний свободный пробег l ограничен тепловыми колебаниями, амплитуда которых зависят от температуры, и поэтому зависит от температуры. Заряд e - постоянная величина, а n и v практически не зависят от температуры, так что эффективный средний свободный пробег является главным фактором, определяющим температурную зависимость электрического сопротивления.

Сопротивление металла можно рассматривать как сумму двух слагаемых: сопротивления , вызванного статическими дефектами решетки химического и физического происхождения, и сопротивления , обусловленного тепловыми колебаниями. Можно предположить, что благодаря статическому характеру дефектов решетки с температурой изменяется только . Считая справедливым правило Маттиссена, суммарное сопротивление можно представить в виде

. (20.1)

Таким образом, интересующим нас термометрическим свойством является , а производная определяет чувствительность электрического термометра сопротивления. При понижении температуры у большинства чистых металлов уменьшается приблизительно пропорционально T вплоть до , где - дебаевская характеристическая температура. Ниже этого предела уменьшается с температурой быстрее и в области между /10 и /50 (нижний предел надежных исследований) , где 3 < n < 5. Поэтому при очень низкой температуре чувствительность электрического сопротивления, как термометрического свойства, быстро падает (см. рис. 20.1), а при температуре порядка /100 даже для металлов наивысшей достижимой чистоты. Это дает возможность определять сопротивление , которое, по-видимому, становится постоянным в низкотемпературном конце шкалы.

Перечислим ряд свойств, которыми должен обладать "идеальный" металл в качестве материала для термометра сопротивления.

Сопротивление металла при высокой температуре должно изменяться в зависимости от температуры по закону, как можно более близкому к линейному, поскольку это значительно упрощает интерполяцию.

Для использования при низкой температуре металл должен обладать как можно более низкой дебаевской температурой , что позволяет сохранить высокую чувствительность термометров при низкой температуре.

Рис. 20.1. Изменение отношения сопротивлений и температурного коэффициента сопротивления с температурой для медного термометра сопротивления.

Металл должен быть доступен в состоянии очень высокой чистоты, чтобы сопротивление оставалось несущественным в широкой области температур.

Металл должен быть химически инертен и должен обладать высоким постоянством сопротивления с тем, чтобы его градуировка могла сохраняться в течение длительного времени, не меняясь под влиянием периодических колебаний температуры.

Металл должен легко подвергаться механической обработке, в частности волочению, а проволока из него должна не разрушаясь навиваться в спирали желаемой формы.

Благородный металл платина удовлетворяет большинству этих требований; однако область применения платиновых термометров сопротивления при низких температурах могла бы быть значительно шире, если бы дебаевская температура платины была ниже. К сожалению, такие металлы, как свинец, висмут или галлий, хотя и имеют низкую характеристическую температуру ( 100 К, в то время как для платины 225 К), но малопригодны по другим причинам.

Платиновые термометры.