Електричні термометри опору

Манометричні термометри

Дія манометричних термометрів засновано на зміні тиску рідини, газу або пари у замкненому об’ємі (системі) в залежності від температури. Вказані термометри є технічними з класом точності 1 – 2,5, що призначені для вимірювання температури в межах до 600°С.

Манометричні термометри поділяють на газові, рідинні та парорідинні. Рід робочої речовини впливає на межі вимірювань і чутливість приладу.

Схема манометричного термометра показана на рисунку 1.3.

Рис. 1.3. Схема манометричного термометра.

Замкнута система приладу, заповнена робочою речовиною, складається з термобалона 1, який занурюється в середовище, трубчатої (манометричної) пружини 2, діючої за допомогою тяги 3 на стрілку або перо приладу, і капілярної трубки 4 (виготовляється з мідної або сталевої трубки з внутрішнім діаметром 0,2 – 0,4 і товщиною стінки 0,5 – 2 мм, довжина капіляра досягає 60 м), що з’єднує пружину з термобалоном. Останній являє собою стальну або латунну трубку, закриту з одного кінця, а з іншого з’єднану з капіляром. За допомогою знімного штуцера 5 із сальниковим ущільненням та різьбою термобалон встановлюється в трубопроводах, баках і т. ін. При нагріванні термобалона тиск робочої речовини збільшується і передається через капіляр трубчастій пружині і викликає розкручування останньої до тих пір, поки діюче на неї зусилля, пропорційне різниці тисків в системі і навколишньому повітрі, не зрівноважиться силою пружної деформації трубки.

Порівняно із ртутними скляними термометрами мають ряд переваг: автоматичний запис показань, можливість розташування вторинного пристрою на відстані від місця вимірів, достатня механічна міцність. До недоліків відносять: невисока точність, інерційність, низька ремонтопридатність.

Електричні термометри опору

Для вимірювання температури широке застосування отримали термометри опору, засновані на зміні електричного опору металічних провідників або напівпровідникових матеріалів в залежності від температури.

Як відомо, метали при нагріванні збільшують свій опір, а напівпровідники – зменшують. Отже, маючи залежність опору провідника (напівпровідника) від температури (рис. 1.4.) і визначаючи цей опір за допомогою електровимірювального приладу, можна робити висновки про температуру провідника (напівпровідника).

Термометри опору, виготовляються з тонкої металічної (мідної або платинової) проволоки, намотаної на каркас із електроізоляційного матеріалу (слюди, кварцу, пластмаси) і поміщеної у металічний захисний чохол з головкою для підключення з’єднувальних провідників.

Напівпровідникові термометри опору – терморезистори, виготовляють із порошкової суміші окислів деяких металів (марганцю (Mn₂O₃), міді (Cu₂O₃), кобальту (CoО), нікелю (NiO) та ін.), спресованої та спеченої при високій температурі.

Терморезистори (рис. 1.5.) являють собою об’ємні нелінійні резистори різної форми (циліндричні, дискові, шайбові, як намистина і ін.) і мають від’ємний температурний коефіцієнт, тобто при нагріванні зменшують свій опір.

При температурі 50°С й нижче значення їхнього температурного коефіцієнта у 5 – 10 разів більше, ніж у металів, що впливає на порівняно більшу зміну опору R в залежності від температури, який визначається за формулою:

R=Ae^B/T,

де A і B – постійні, що залежать від властивостей напівпровідника; T – абсолютна температура терморезистора, °К; e – основа натуральних логарифмів.

Більш детально конструкційні особливості термометрів опору і терморезисторів розглянуто в лабораторній роботі №3.

Рис. 1.4. Залежність відносного опору терморезисторів від температури.

Рис.1.5. Терморезистори: а – циліндричні типу ММТ-1 і КМТ-1; б – циліндричні захищені типу ММТ-4 і КМТ-4; в – у формі намистини – КМТ-14: 1-напівпровідниковий елемент; 2,3-контактні ковпачки;4,5-виводи;

6-металічна фольга; 7-скляний ізолятор; 8-метлевий чохол.

Термоелектричні пірометри

Принцип дії термоелектричних пірометрів засновано на властивості металів і сплавів створювати термоелектрорушійну силу (т. е. р. с.), яка залежить від температури місця з’єднання (спая) двох різнорідних провідників, що утворюють так звану термопару або первинний прилад пірометра (термоелектричний датчик). Вторинним приладом, яким вимірюється генерована термопарою термо- е. р. с., є чутливий електровимірювальний прилад (гальванометр, мілівольтметр і ін.). Діапазон вимірюваних термоелектричними пірометрами температур знаходиться в межах – 50 ÷ 1800 °С.

Термоелектричні пірометри широко застосовуються в енергетичних установках для вимірювання температури перегрітої пари, димових газів, метала труб котлів та інших частин обладнання і т. ін. Позитивними властивостями їх є: великі межі вимірювання, висока чутливість, незначна інерційність, відсутність стороннього джерела струму і легкість здійснення дистанційної передачі показів завдяки електричному принципу дії.

Термоелектричний пірометр складається з термопари і підключеного до неї з’єднувальними провідниками вторинного електровимірювального приладу. Застосовується два способи включення останнього в контур термопари: у вільний кінець або в один з її термоелектродів (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Способи включення електровимірювального приладу в контур термопари: а – у вільний кінець; б – в термоелектрод

Спай 1, занурюється у середовище, температуру якого необхідно виміряти і називається робочим кінцем термопари (гарячий спай), а спай 2 – вільним кінцем (холодний спай). Вимірювання температури за допомогою термопари можливо лише при постійній і точно відомій температурі її вільного кінця t₀ , тоді величина т. е. р. с. буде прямо пропорційна температурі робочого спая: E_{АВ(t, to)} =f(t).

У таблиці 1.1 приведені величини термо- е. р. с., які з'являються між різними провідниковими матеріалами у парі з платиною при температурі робочого спая (1) t=100°С і вільного кінця (2) t₀=0°С.

Таблиця 1.1

Матеріал	Термо-ЕРС	Матеріал	Термо-ЕРС
Хромель	+2,95	Олово	+0,42
Ніхром	+2,0	Алюміній	+0,40
Залізо	+1,8	Платина
Вольфрам	+0,79	Алюмель	-1,2
Мідь	+0,75	Нікель	-1,52
Золото	+0,8	Константан	-3,4
Цинк	+0,7	Копель	-4,0
Срібло	+0,72	Пірит	-12,1
Свинець	+0,44	Молібден	від -69 до -104

За допомогою табл.1 і рівняння E_{АВ(t, to)}= E_{АС(t, to)} – E_{ВС(t, to)} можна визначити термо-е.р.с. термопари, складеної з двох любих вказаних у таблиці термоелектродів.

До термопарних матеріалів пред’являються такі вимоги:

1) механічна та хімічна стійкість при високих температурах, антикорозійність;

2) хороша електропровідність і невелика величина температурного коефіцієнта електричного опору;

3) постійність термоелектричних властивостей (їхня незалежність від зміни з часом внутрішньої структури (рекристалізація) і забруднення поверхні);

4) однозначна і по можливості лінійна залежність термо- е. р. с. від температури.

Пірометри випромінювання

Пірометри випромінювання застосовуються для вимірювання температури нагрітих тіл в межах 100 – 6000 °С. Дія цих приладів заснована на вимірюванні енергії випромінювання тіла, що залежить від його температури і фізико-хімічних властивостей. Перевагою безконтактних методів вимірювання температури є те що первинний прилад пірометра випромінювання при вимірюванні не піддається шкідливому впливу високої температури і не викривлює температурне поле, оскільки знаходиться далеко від вимірюваного середовища.

Датчики температури (первинні прилади), засновані на вимірюванні інтенсивності випромінювання нагрітого тіла, можуть бути побудовані різними методами, які розглядаються нижче.

Вимірювання яскравості монохроматичного випромінювання тіла. З повного спектру випромінювання «вирізується» за допомогою світлофільтрів вузька смуга від λ до λ + ∆λ, яскравість якої визначається безпосередньо або шляхом порівняння з яскравістю еталонного джерела і буде мірою температури тіла, яке випромінює теплову енергію. Яскравість монохроматичного випромінювання пропорційна його інтенсивності і визначається законом Планка:

E_λT = ε_λ c₁ λ^-5(e^-c₂ ^⁄λT – 1)^-1 ≈ ε_λ c₁ λ^-5e^-c₂ ^⁄λT,

де E_λT – інтенсивність монохроматичного випромінювання абсолютно чорного тіла для довжини хвилі λ;

Т – температура тіла в ^оК;

с₁ і с₂ – постійні (с₁ = 1,44 10-3 Вт/(м²·с); с₂ = 1,432 10^-2 м/К);

е – основа натуральних логарифмів.

Градуювання датчиків даного типу (пірометрів часткового випромінювання) виконується за абсолютно чорним тілом, тому виміряна температура реального тіла Т_я (яскравістна температура) буде відрізнятися від істинної Т і може бути визначена із рівняння:

1/Т_я = 1/Т – λ/ с₂ (ln ε_λ).

У таблиці 1.2 приведені значення ε_λ для різних матеріалів.

Таблиця 1.2

Найменування матеріалу	ελ	Найменування матеріалу	ελ
Срібло	0,07	Залізо	0,39
Мідь	0,11	Вольфрам	0,45
Золото	0,13	Мідь окислена	0,7
Платина	0,33	Залізо окислене	0,95

В оптичних пірометрах здебільшого використовується вузька смуга спектру в області червоного випромінювання (λ=0,6÷0,7 мкм), яка «вирізається» світлофільтром.

Вимірювання повного випромінювання тіла (радіаційна пірометрія). Даний метод використовує повну енергію спектру (теоретично від). Інтенсивність повного випромінювання може бути визначена шляхом інтегрування виразу закону Планка в межах від λ = 0 до λ=∞. Отримана залежність називається законом Стефана – Больцмана:

Е_т = σТ⁴,

де σ = 5,67 10^-8Вт/(м²·К) – коефіцієнт випромінювання абсолютно-чорного тіла.

Для реальних тіл інтенсивність повного випромінювання Е_р завжди менше інтенсивності повного випромінювання чорного тіла Е_Т і характеризується коефіцієнтом чорноти випромінювання тіла ε_Т, який визначається законом Кірхгофа:

ε_Т = Е_р / Е_Т.

В табл.1.3 наведені значення ε_Т для деяких матеріалів при різних істинних температурах.

Таблиця 1.3

Матеріал	Температура в °С	εТ
Срібло		0,035
Нікель	1000 – 1400	0,056 – 0,069
Залізо	1000 – 1400	0,08 – 0,13
Мідь розплавлена	1100 – 1300	0,13 – 0,15
Вольфрам	1000 – 3000	0,15 – 0,34
Чавун		0,29
Вугілля	1100 – 1500	0,52
Цегла шамотна		0,75
Окис заліза	500 – 1200	0,85 – 0,89

Із закону Кірхгофа випливає, що температура Т_р, виміряна методом повного випромінювання сірого тіла завжди менша істинної температури тіла Т. Температура називається радіаційною температурою сірого тіла. Її зв'язок з істинною температурою визначається виразом:

Т_р = Т (ε_Т)^1/4.

При вимірюванні інтенсивності повного випромінювання необхідно враховувати, що частина енергії, яка випромінюється нагрітим тілом, поглинається середовищем між датчиком і випромінювачем. Якщо відомо коефіцієнт поглинання середовища n, то поправка на поглинання в середовищі може бути знайдена за допомогою такого рівняння:

Т_р = Т_р^¢/ (1 - n)^1/2, де Т_р^¢– радіаційна температура без врахування поглинання.

Вимірювання повного поглинання проводиться за величиною вимірювання температури Т₂ зачорненої поверхні приймача (болометра),на яку фокусується потік енергії. Енергія, яка передається болометру визначається різницею четвертих ступенів температур випромінювача і приймача: Е_Т = σ(Т₁⁴ – Т₂⁴).

Порівнюючи вище названі безконтактні методи вимірювання температури можна зробити такі висновки:

Методи засновані на вимірюванні яскравісної і радіаційної температур, мають загальні недоліки, оскільки яскравісна і радіаційна температури значно відрізняються від істинної температури тіла. Тому при вимірюванні необхідно враховувати коефіцієнти чорноти випромінювання реальних тіл, що у більшості випадків дуже важко здійснити.

Пірометри часткового випромінювання. В пірометрі часткового випромінювання, який також називається оптичним пірометром, відбувається порівняння монохроматичної яскравості (у променях певної довжини хвилі) нагрітого тіла (випромінювача), температуру якого вимірюють, і розжарення нитки вмонтованої в прилад пірометричної лампи. При вимірюванні яскравісної температури дугоподібну нитку лампи крізь оптичний телескоп наводять на поверхню випромінювача і добиваються зрівняння яскравості обох джерел світла шляхом зміни реостатом сили струму, що живить лампу.

І ІІ ІІІ

Рис. 1.7. Яскравість нитки розжарення пірометра часткового випромінювання.

І – температура нитки нижче температури випромінювача; ІІ – температура нитки вище температури випромінювача; ІІІ – температура нитки рівна температурі випромінювача.

Якщо яскравість нитки буде менше, ніж яскравість випромінювача (рис. 1.7), то на світлому фоні нитка буде здаватися чорною (стан І); якщо ж, навпаки, випромінювач має меншу яскравість, нитка буде проектуватись світлою лінією на більш темному фоні (стан ІІ). При збіганні монохроматичної яскравості нитки і випромінювача, тобто при настанні стану рівноваги, зображення середньої вигнутої частини нитки, яка має більш високу температуру, ніж її кінці, зливається із світлим фоном випромінювача і начебто зникне з поля зору спостерігача (стан ІІІ). В цей момент і відбувається відлік яскравісної температури тіла за шкалою амперметра, включеного у сітку пірометричної лампи та градуйованого в ^оС.

Будова пірометра часткового випромінювання показана на рисунку 1.8, який призначено для періодичних вимірювань температури у межах 800 - 2000 °С. Він складається з телескопа Т з добудованим до нього диференційним амперметром та джерела постійного струму Б, напругою 2 – 2,5 В.

Телескоп пірометра являє собою розширену посередині зорову трубу 1 із об’єктивом 2 і окуляром 3. У фокусі об’єктива встановлено пірометричну лампу 4 з дугоподібною вольфрамовою ниткою, з’єднаною послідовно з реостатом 5, за допомогою якого можна змінювати розжарення нитки. Реостат розміщено у широкій частині зорової труби й оснащено рукояткою-кільцем 6 із повзунком 7, який дозволяє спостерігачу регулювати струм, не відволікаючись від яскравості нитки.

Для отримання монохроматичного випромінювання з довжиною хвилі 0,65 мкм поперед окуляра встановлено червоний скляний світлофільтр 8, а за ним – вихідна діафрагма 9, пере якою при вимірюванні знаходиться око спостерігача.

Між об’єктивом і пірометричною лампою поміщено поглинаюче скло 10, прикріплене на обертовій головці 11, за допомогою якої воно може бути поставлене поперед лампи або відведене в сторону. Поглинаюче скло необхідне для збільшення верхньої межі показів пірометра, оскільки воно послаблює видиму яскравість випромінювача в декілька раз при незмінній яскравості нитки лампи. Вольфрамову нитку пірометричної лампи неможна нагрівати вище 1500° С, так як при цьому може бути порушено градуювання шкали приладу із-за розпилення (зменшення товщини) нитки при її надмірному розжаренні та забрудненні при цьому внутрішніх стінок колби лампи. Тому вбудований у телескоп пірометра диференційний амперметр, який складається з двох рамок (основної 12 та допоміжної, увімкнених зустрічно), постійного магніту 13, стрілки 14 і шкали 15, має два діапазони вимірювань (подвійну шкалу): перший – при роботі без поглинаючого скла із межами 800 – 1400° С і другий – при введеному склі з межами 1200 – 2000° С.

Основна рамка амперметра включена паралельно пірометричній лампі, а додаткова – послідовно з лампою. Таке включення рамок приладу дозволяє зменшити початкову неробочу ділянку шкали пірометра. Для встановлення нуля амперметр має коректор, гвинт якого знаходиться із зовні телескопа.

Випромінювач

Око спостерігача

Рис. 1.8. Схема пірометра часткового випромінювання.

Пірометрична лампа встановлена на колодці 16 з двома контактними стрижнями 17, до яких підключено проводи від лужного акумулятора, розташованого для зручності переноски у спеціальній сумці. Кожен прилад має індивідуальне градуювання, дійсне тільки для даної пірометричної лампи. При заміні лампи шкала приладу підлягає переградуюванню. Сила струму, що споживає лампа при нагріванні її до 1400° С, складає біля 0,4 А.

При повороті кільцевої ручки 6 уліво до упора движок 7 сходить з обмотки реостата и розриває коло накалювання нитки, що призводить до виключення лампи. Одночасно із цим в крайньому лівому положенні движок за допомогою двох кінцевих контактів 18 замикає на коротко основну рамку амперметра, здійснює при цьому електричне аретирування рухливої частини приладу, що є необхідним при переносці пірометра.

У процесі вимірювання температури наводка пірометра на випромінювач здійснюється в ручну, для чого відросток 19 телескопа має знизу рукоятку 20. Для настройки оптичної системи пірометра на фокус и за оком спостерігача об’єктив 2 і окуляр 3 можуть переміщуватися упродовж осі зорової труби. Оптична система приладу дозволяє вимірювати температури на відстанях 0,7 – 5 м від джерела.

На точність вимірювання пірометром часткового випромінювання впливає ступінь відхилення властивостей випромінювача від властивостей абсолютно чорного тіла, а також величина поглинання променів проміжного середовища, крізь яку здійснюється спостереження. На результати вимірювань впливають наявність у навколишньому повітрі пилу, диму і великий вміст двоокису вуглецю. Крім цього, забруднення оптичної системи пірометра, також веде до збільшення похибки вимірювання. Основна похибка пірометра типа ОППИР-017 для першого и другого діапазонів вимірювання відповідно дорівнює ±20 и ±30° С.

Перевагою пірометра часткового випромінювання є порівняно висока точність вимірювання, компактність приладу і простота поводження з ним. До недоліків слід віднести потребу у джерелі живлення, неможливість стаціонарного вимірювання температури і автоматичного запису показів, а також суб’єктивність методу вимірювання, основаного на спектральній чутливості зору спостерігача.

Рис. 1.9 Схема фотоелектричного пірометра ФЕП-4

1- об’єктив, 2- червоний світлофільтр,, 3- фотоелемент, 4- лампа розжарення (призначена для отримання зворотного зв’язку по світловому потоку),

5- заслінка, 6- електронний підсилювач, 7- окуляр, 8- відбивач.

Фотоелектричні пірометри.Прилади цієї групи, основані на вимірюванні температури за інтенсивністю монохроматичного випромінювання застосовуються для визначення температури нагрітих тіл у межах 500 – 4000° С. Вони мають ряд переваг, оскільки температура визначається об’єктивним та без інерційним методом. Дія фотоелектричного пірометра заснована на властивості фотоелемента змінювати фотострум пропорційно світловому потоку, який падає на нього від випромінювача.

Фотоелектричні пірометри застосовуються для вимірювання швидкоплинних теплових процесів.

На рис. 1.9 показана схема фотоелектричного пірометра типа ФЕП-4з межами вимірювань 800 – 1300° С. Прилад складається з візирної головки ВГ, силового блока СБ, ферорезонансного стабілізатора напруги СН, швидкодіючого електронного потенціометра ЭП и роздільного трансформатора РТ.

Фотоелектричний пірометр дозволяє виконувати вимірювання температури на відстані 0,2 м и більше від джерела, причому діаметр нагрітої поверхні не повинен бути менше 1/22 цієї відстані. Клас точності приладу 1.

Радіаційні пірометри.Рефракторний датчик повного випромінювання. На рис. 1.10 показано схематично будову датчика повного випромінювання з відкритою багатоспайною термобатареєю. Термобатарея (рис. 1.11) виготовлена з десяти послідовно з’єднаних термопар. Робочі кінці термопар, розклепані у формі трикутників, розташовані у вигляді вінчика. Вільні кінці термопар приварені до тонких металевих смужок, прикріпленим до слюдяного кільця, яке має гарний тепловий контакт з корпусом датчика. Для компенсації похибки при коливаннях температури корпуса датчика термобатарея зашунтована нікелевим опором 5 (рис. 1.10). Зміна температури корпуса датчика на 1° у межах від 20 до 40° С змінює покази датчика на 0,11° С при температурі джерела випромінювання 900°С.

Рис. 1.10 Датчик повного випромінювання з відкритою термобатареєю:

1 – лінза; 2 – діафрагма; 3 – передня камера; 4 – термобатарея;

5 – компенсаційна котушка; 6 – задня камера; 7 – затискач термобатареї;

8 – штуцер; 9 – візирний отвір; 10 – окуляр; 11 – фланець; 12 – корпус.

Рис. 1.11. Термобатарея пірометра повного випромінювання.

Магнітна термометрія

Вимірювання наднизьких температур.До наднизьких температур, або гелієвих відносяться температури одержані за допомогою рідкого гелію (температура кипіння 4,2 К). Специфіка методів вимірювання температур обмежує цей діапазон значеннями від 0 до 10 К. Існуючі методи вимірювання наднизьких температур розповсюджуються лише на окремі ділянки цього діапазону. Наприклад, для вимірювання температур від 1 до 4 К використовуються терморезистори з фосфористої бронзи з дрібними включеннями свинцю. При температурі 4,2 К свинець переходить у стан надпровідності і опір таких терморезисторів різко змінюється. Тому вимірювання температур з використанням такого датчика обмежене межами від 1,5 до 4,2 К.

Для вимірювання температур нижче 1K використовуються методи магнітної термометрії, основані на залежності об'ємної магнітної сприйнятливостіn ряду парамагнітних солей від абсолютної температури Т, яка описана законом Кюрі-Вейса:

n =/(с - T),

де с і — постійні, характерні для використаної солі.

Термометр, у якому використовується ця залежність, являє собою котушку індуктивності, всередині якої у досить однорідному магнітному полі розміщений зразок мідно-калієвих або залізо-алюмінієвих квасців. Котушка вмикається у мостове коло і зміна температури, яка викликає зміну об'ємної магнітної сприйнятливості зразка, приводить до зміни індуктивності котушки, пропорційної вимірюваній температурі.