Термометры сопротивления (терморезисторы)

Камский государственный политехнический институт

Измерение температуры и давления

Учебное пособие

Набережные Челны

УДК 538.9

Исрафилов И.Х., Галиакбаров А.Т., Гареева Е.Ф. Измерение температуры и давления: Учебное пособие. – Набережные Челны: КамПИ, 2003. - 46 с.

Учебное пособие предназначено в помощь студентам при подготовке и выполнении лабораторных работ по исследованию термометров и манометров.

Ил.: 18. Библиогр. 7 назв.

Рецензент к.т.н. доцент Тазмеев Х.К.

Печатается в соответствии с решением научно-методического совета Камского государственного политехнического института.

ã Камский государственный политехнический институт, 2003.

Измерение температуры.

Введение.

Температура является одним из важнейших параметров, определяющих состояние тела. Для измерения температуры может быть использовано любое свойство твердого, жидкого и газообразного вещества, изменяющегося с температурой: изменения физического или химического состояния, размеров, электрических свойств, изменение энергетической яркости излучения и т.п. Приборы, с помощью которых можно измерить температуру, называются термометрами. В качестве термометра может быть использован прибор, основанный на точном, легко воспроизводимом изменении свойств вещества в зависимости от изменения температуры. Независимо от того, какое свойство вещества используется при измерении температуры, термометры должны быть отградуированы в соответствии с единой, твердо установленной температурной шкалой.

В настоящее время применяется международная практическая температурная шкала (МПТШ-68) редакции 1968 года, в которой единицей измерения является градус Кельвина (К), градус Цельсия (⁰С). Эта шкала основана на определенных воспроизводимых постоянных (реперных) точках, значение температур которых может быть определено современными средствами измерения с заданной точностью. МПТШ-68 основана на значениях температур 11 точек, соответствующих состоянию равновесия между фазами чистых веществ (например, тройная точка водорода, тройная точка воды, точка кипения воды, точка затвердевания цинка и др.).

Термодинамическая шкала, предложенная Кельвином (Т, К) в 1948 году, не зависит от термометрических свойств веществ. В основу построения термодинамической шкалы Кельвина заложен идеальный цикл Карно, в котором полученная работа зависит только от температур начала и конца процесса и не зависит от природы рабочего тела. Для практического измерения температуры эта шкала оказалась неудобной ввиду того, что нужно было измерять количество теплоты либо используя термометры, заполненные различными реальными веществами, либо вводить поправки для каждого значения температуры. Шкала Кельвина начинается с абсолютного нуля, причем единица 1 Кельвина (1 К) определена как 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды.

По шкале Цельсия (t,°С) за нулевую точку принята температура таяния льда (0°С). Нулевая точка шкалы лежит на 273,15 К выше точки абсолютного нуля и на 0,01 К ниже тройной точки воды. Единица – градус Цельсия (°С) равна по величине Кельвину (К). Связь между температурами по шкалам Кельвина и Цельсия выражается формулой:

Т(К)=t(⁰C)+ 273,15…

В ряде зарубежных стран до сих пор используют шкалу Ранкина (°R) и шкалу Фаренгейта (°F). Пересчет числовых значений производят по следующим соотношениям:

t (°С) = 5/9 t (°F) – 32 …

Т (К) = 5/9 t (°R) …

В зависимости от диапазона измерения температур наибольшее распространение в различных отраслях науки и промышленности нашли средства измерения, приведенные на рис.1

Механические термометры расширения.

Механические термометры широко применяют на практике. Почти все они основаны на тепловом расширении тел, точнее, на различном расширении разных тел. Эти тела могут быть твердыми, жидкими и газообразными.

Термометры расширения.

Принцип работы стеклянных жидкостных термометров основан на расширении термометрической жидкости, заключенной в термометре, в зависимости от температуры. Стеклянные термометры подразделяются на термометры с вложенной шкалой и палочные.

Рис.1 Область применения наиболее распростра­ненных типов термометров:

а – механических контактных; б – особых типов механиче­ских контактных; в – электрических контактных; г – особых типов электрических контактных; д – пирометров.

Термометр с вложенной шкалой состоит из стеклянного резервуара и припаянного к нему стеклянного капилляра. Вдоль капилляра расположена шкала, которая нанесена на пластине молочного стекла. Резервуар, капилляр и шкала размещены в стеклянной оболочке.

Рис. 2.Стеклянные термометры.

Палочные стеклянные термометры состоят из толстостенных капилляров. Шкала термометра наносится на наружной поверхности капилляра. Шкалы термометров отградуированы в градусах Цельсия. В зависимости от диапазона измерения температуры применяются различные термометрические жидкости: ртуть (- 35 + 600°С); толуол (- 90 + 200°С); этиловый спирт (- 80 + 70°С); керосин (- 60 + 200°С); петролейный эфир (- 120 + 25°С); пентан (- 200° + 20°С). Наибольшее распространение в лабораторных исследованиях и в промышленности получили ртутные термометры, т.к. они обладают рядом преимуществ. Ртуть является несмачивающей жидкостью, которая сравнительно легко получается в химически чистом виде, а также ртуть остается жидкой в широком интервале температур.

Достоинством стеклянных жидкостных термометров является высокая точность измерения, простота и дешевизна. К недостаткам следует отнести плохую видимость шкалы, невозможность автоматической регистрации показаний и ремонта термометра.

Для поддерживания постоянной температуры (заданной или сигнализации температуры в интервале – 30 до +300°С) применяют ртутные электроконтактные термометры. Термометры могут быть выполнены с постоянным рабочим и с подвижным рабочим контактами, которые могут быть установлены на любом значении температуры в пределах шкалы.

Манометрические термометры.

В зависимости от вида термометрического вещества различают газовые, жидкостные и конденсационные термометры. Действие манометрических термометров основано на зависимости давления манометрического вещества в герметически замкнутом объеме от температуры.

Рис.3. Манометрический термометр.

Жидкостные манометрические термометры. В этих термометрах, как и в стеклянных, в качестве измеряемой величины, определяющей температуру, используется изменение объема термометрической жидкости. Манометрический жидкостной термометр (рис.3) состоит из чувствительного элемента 1 – стального термобаллона, в котором находится основная часть термометрической жидкости, подключенного к термобаллону капилляра 2 с внутренним диаметром 0,1…0,2 мм, и указателя с манометрической пружиной или со спиральной трубкой 3. Пружинная трубка преобразует расширение объема во вращательное движение стрелки. Показания указателя в широких пределах являются линейной функцией температуры.

Недостатком манометрического термометра является его значительная инерционность, обусловленная большим размером чувствительного элемента. Баллон изготавливается из коррозионностойкого материала, может выдержать значительное внешнее давление и поэтому не нуждается в защитной трубке.

Точность жидкостных манометрических термометров не очень высокая и в зависимости от конструктивного исполнения может изменяться от 0,5…2 % от разности пределов измерения.

Газовые манометрические термометры. При этом методе измеряется изменение давления Р или объема V газа как функция температуры Т в соответствии с законом идеального газа

PV=mRT.

Причем масса m и величина R (абсолютная газовая постоянная) являются постоянными. Для этой цели используют газ, близкий к идеальному (гелий, азот, аргон).

Конструкция и принцип действия их точно такие же, как жидкостных манометрических термометров. Газ в баллоне находится под давлением при нормальной температуре. Изменение давления газа вследствие изменения температуры указывается манометром, точность которого определяется точностью всего измерительного устройства в целом. Шкала термометра линейна. Чувствительный элемент (баллон) имеет сравнительно большой объем.

Наименьшая температура, которую можно измерить газовым термометром, лежит чуть выше критической точки используемого газа. Верхний предел измерений ограничивается прочностью чувствительного элемента и прочностью материала. Нормальный диапазон измерения находится в интервале от –125 до 500 ⁰С.

Конденсационные манометрические термометры работают по тому же принципу, что и жидкостные, и газовые термометры. Отличие их состоит в том, что чувствительный элемент частично заполнен жидкостью (конденсатом), а над конденсатом находится насыщенный пар этой же жидкости. Термометры основаны на том, что у каждой жидкости давление насыщенного пара однозначно определяется его температурой и не зависит от занимаемого объема. Однако зависимость давления насыщенного пара от температуры является нелинейной. В результате расстояния между делениями шкалы с ростом температуры увеличиваются. Для каждой термометрической жидкости предел измерения ограничен. Ниже указаны легко испаряющиеся жидкости и соответствующие пределы измерения температуры, ⁰С: пропан –40…40, этиловый эфир 40…195, этиловый спирт 85…245, толуол 115…320, ксилол 150…360. Давление в баллоне находится в интервале от 0,5 до 2,5 МПа, а диапазон измерения от –40 до 350 ⁰С. В зависимости от конструктивного исполнения точность достигает 1..3 %.

Термометры сопротивления (терморезисторы).

Электрическое сопротивление большинства материалов существенно изменяется с температурой. В данном случае это свойство используется в качестве принципа измерения температуры. Различают металлические (проводниковые) и полупроводниковые термометры сопротивления. У металлических проводников эта температурная зависимость связана со свободными электронами связи в металлической решетке. При падении температуры уменьшаются тепловые колебания ионов около своих положений равновесия. Это приводит к уменьшению рассеяния электронов на неоднородностях кристаллической решётки и, следовательно, к уменьшению электрического сопротивления.

В полупроводниках обычно наблюдается недостаток электронов проводимости. Электроны, необходимые для электропроводности, освобождаются главным образом за счёт подвода тепловой энергии (повышения температуры). Таким образом, при росте температуры полупроводников их электрическое сопротивление падает.

Чувствительный элемент термометра сопротивления называется терморезистором.

Металлические термометры сопротивления. Зависимость сопротивления металлических проводников от температуры может быть с весьма высокой точностью описана уравнением третьей степени. При обычных требованиях к точности ограничиваются квадратичной или даже линейной зависимостью

R_t = R₀ (1+at),

где R_0, R_t - величина сопротивления проводника в исходном состоянии, при 0 ⁰С и при температуре t, ⁰С, соответственно, Ом; a - линейный температурный коэффициент сопротивления, 1/К.

В качестве материала для термометров сопротивления используют металлы с хорошей электропроводностью, такие как платина (a_{pt 0;100} = 3,85·10^-3 К^-1), никель (a_{Ni 0;100} = 6,17·10^-3 К^-1) и медь (a_{Cu 0;100} = 4,27·10^-3 К^-1).

Никель используется для измерения температуры от –60 до +180°С, платина – от –220 до 1300°С, медь от –200 до 200⁰С.

Чувствительный элемент металлического термометра сопротивления представляет собой тонкую платиновую, медную или никелевую проволку, намотанную на слюдяной или керамический каркас, который затем защищается металлическим корпусом.

Платиновый терморезистор (рис. 4,а) состоит из двух или четырёх соединённых последовательно платиновых спиралей 2, к которым припаяны выводы 1. Спирали помещают в каналы керамического каркаса 3. Спирали и выводы в каркасе крепят глазурью 4. Пространство между спиралями и каркасом засыпают керамическим порошком, который служит изолятором и создаёт подпружинивание спиралей.

Рис.4 Конструкция металлических терморезисторов:

а) платинового; б) медного.

Медные терморезисторы представляют собой бескаркасную безындукционную намотку 3 из медной проволоки диаметром 0,08 мм, покрытую фторопластовой плёнкой 4. К намотке припаяны два вывода 1. Для обеспечения виброустойчивости намотку помещают в тонкостенную металлическую гильзу 5, засыпанную керамическим порошком 6 и герметизированную термоцементом 2.

Полупроводниковые термометры сопротивления. Имеются два различных типа терморезисторов: с отрицательным (NТС – терморезисторы) и положительным (РТС – терморезисторы, позисторы) температурным коэффициентом сопротивления.

Для их изготовления применяют германий, медно-марганцевые (ММТ) и кобальто-марганцевые (КМТ) соединения, сплавы и окислы урана, серебра, никеля. Чувствительность полупроводниковых терморезисторов значительно выше, чем у металлических термометров сопротивления, что позволяет их изготавливать малогабаритными. Причем их сопротивление резко уменьшается с увеличением температуры. Это свойство позволяет их использовать в криогенной технике для измерения низких температур. Полупроводниковые терморезисторы могут быть выполнены в виде стержня, диска, шайбы, шарика, иглы, пленки и других форм с металлическими выводами. Для защиты от влаги чувствительные элементы покрывают слоем лака или стекла.

Термоэлектриче­ские термометры (термопары).

Работа термопары основана на термоэлектрическом эффекте Зеебека, согласно которому в цепи, состоящей из двух разнородных проводников А и В, где точки их соединения (спаи) находятся при различных температурах, протекает ток. На концах такой разомкнутой цепи можно измерить термоэлектродвижущую силу (термо-ЭДС), величина которой зависит от разности температур на спаях.

Рис.5 Термопары.

Если температура t₀ одного спая известна, то это значение может быть использовано в качестве меры разности измеряемой температуры t₁ и контрольной температуры t₀. Место соединения проводников, помещаемое в среду с измеряемой температурой, называют рабочим (горячим) спаем термопары, а другое соединение, находящееся при температуре t₀ – свободным (холодным).

Материал термоэлектродов должен отвечать следующим требованиям: приемлемая цена, высокая надежность, высокая чувствительность к изменению температуры, приемлемые динамические свойства, механическая прочность при высоких и низких температурах, устойчивость против коррозии, стабильность термоэлектрических свойств. Для изготовления термопар применяется платина, золото, никель, медь, железо, вольфрам, хромель, алюмель, родий, копель и другие.

Чтобы измерить температуру среды термоэлектрическим термометром, необходимо измерить термо-ЭДС, развиваемую термометром, и определить температуру свободного спая. Для удобства измерения свободный спай поддерживается при постоянной температуре, равной 0 ⁰С. Измеряемая температура t₁ определяется сразу из градуировочной характеристики (таблиц или графиков), устанавливающей зависимость термо-ЭДС от температуры рабочего спая. Если , то необходимо вводить поправку.

Для правильного измерения температуры нужно обеспечить постоянство температуры холодного конца. Для этого свободный спай удаляют от места измерения температуры, что осуществляется с помощью специальных (компенсационных) проводов.

Для измерения весьма малых разностей температур применяют термобатареи - ряд последовательно соединенных термопар. В этом случае термо-ЭДС суммируется. Число спаев термобатареи может достигать нескольких сотен.

Оптические пирометры.

Рассмотренные выше термометры для измерения температуры являются контактными, которые предусматривают непосредственный контакт между чувствительным элементом термометра и окружающей или исследуемой средой. Верхний предел применения контактных методов измерения находится в пределах 2500°С. В промышленных и лабораторных исследованиях возникает необходимость измерять более высокие температуры, кроме того, часто недопустим непосредственный контакт термометра с измеряемым телом или средой. Таким термометром с допустимой погрешностью до 4 % является оптический пирометр, принцип работы которого основан на использовании теплового излучения тел в видимой области спектра. Серийно выпускаемые пирометры применяются для измерения температур от 20 до 6000^°С. Такие средства измерения не имеют верхнего предела измеряемой температуры, он определяется соответствием спектров излучения измеряемых тел и спектральных характеристик устройств. Пирометры, применяемые для измерения температур, подразделяют на следующие типы: квазимонохроматические, полного излучения и спектрального отношения.

а) Пирометр, действие которого основано на использовании зависимости абсолютной температуры тела Т и спектрального распределения энергетической яркости, называется квазимонохроматическим пирометром. Эта связь устанавливается формулой Планка:

,

где С_1, С₂ – первая и вторая постоянные излучения; В_0lт – спектральная энергетическая яркость абсолютно черного тела; l - длина волны.

Температура реального тела в квазимонохроматическом пирометре определяется по спектральной энергетической яркости излучения В_lт, а так как пирометр градуируется по излучению черного тела, то он покажет температуру абсолютно черного тела Т_я, при которой спектральные энергетические яркости тела В_lт и абсолютно черного тела В_0lт будут равны. Такая условная температура Т_я называется яркостной температурой.

Действительная температура тела определяется по яркостной температуре Т_я, показываемой пирометром, по выражению:

_,

где

Для определения Т необходимо знать длину волны l и коэффициент теплового излучения (коэффициент черноты) e_lт. Квазимонохроматические пирометры работают на участке длин волн, эквивалентных длине волны l = 0,65 мкм, коэффициент черноты e_lт в каждом конкретном случае уточняется с помощью дополнительных средств измерения. А для широко используемых материалов приводится в теплотехнических справочниках.

Рис. 6. Оптический пирометр с исчезающей нитью.

Одним из наиболее распространенных квазимонохроматических пирометров является пирометр с исчезающей нитью. Он состоит из телескопа 1, в фокусе которого помещена вольфрамовая нить пирометрической лампы 2, окуляра 3, через который наблюдатель проводит измерение. За окуляром установлен светофильтр 5, пропускающий лучи лишь одной длины волны. Между объективом телескопа и пирометрической лампой помещено поглощающее стекло 6, которое предназначено для ослабления яркости исследуемого объекта при измерении температур выше 1400°С. Регулировка тока накала пирометрической лампы осуществляется реостатом 7. В качестве показывающего прибора используется миллиамперметр 8. Рассмотренный пирометр работает по методу сравнения в узком интервале длин волн видимой области спектра яркости измеряемого тела с яркостью контрольного излучателя – накаленной нити вольфрама. Благоприятная для чувствительного глаза длина волны (l = 0,65мкм) в видимой части спектра обеспечивается установкой красного светофильтра. Изменяя энергетическую яркость контрольного излучателя посредством изменения мощности нагрева нити пирометрической лампы 2, с помощью реостата 7 достигается условие исчезновения верхней части нити накала на фоне изображения исследуемого тела, что соответствует равенству энергетической яркости исследуемого объекта и контрольного излучателя. Таким образом, по величине тока накала пирометрической лампы замеренная температура определяется либо с помощью градуировочной характеристики, либо непосредственно отсчитывается по температурной шкале прибора. Существенным недостатком этого прибора является субъективность полученных результатов измерения, которые зависят от чувствительности человеческого глаза. Поэтому в настоящее время разработаны приборы, где в качестве светочувствительного элемента применяют фотоэлементы, фотодиоды и фототранзисторы, например, автоматический квазимонохроматический фотоэлектрический пирометр. Кроме получения объективных результатов измерения температуры, такие приборы позволяют автоматизировать и соответственно ускорять процесс измерения, используя в них в качестве измерительного прибора быстродействующие автоматические потенциометры. Допускаемая погрешность таких приборов достигает 1,5 % от верхнего предела измерения.

б) Принцип работы пирометров спектрального отношения основан на измерении температуры путем измерения соотношения энергетических яркостей нагретого тела на двух узких участках длин волн в видимом спектре излучения. Действительная температура тела Т определяется по цветовой температуре Т_ц из соотношения:

=

Чтобы определить действительную температуру Т по его цветовой температуре Т_ц, показываемой пирометром, необходимо знать длины волн l₁ и l₂, при которых определяется отношение спектральных энергетических яркостей и отношение коэффициентов черноты e_l1Т, e_l2Т при данных длинах волн. Ввиду того, что отношение e_l1Т, e_l2Т близко к единице, данный тип пирометров имеет наименьшую погрешность измерения, не превышающую 1% от верхнего предела измерения. Предел измерения температур составляет от 200 до 2800⁰С. Светочувствительным элементом пирометров спектрального отношения является фотоэлемент. Широкое распространение в области измерений нашел прибор ПИТ-1 (пирометр истинной температуры). В этом приборе осуществляется автоматическое введение поправки, вычисляемой на основе информации, хранящейся в его памяти.

в) Пирометры полного излучения осуществляют измерения температуры путем измерения полной энергетической яркости тела. Действительная температура тела Т определяется по радиационной температуре Т_р пирометра:

Из этого выражения видно, что для определения действительной температуры тела Т по радиационной температуре Т_р необходимо знать только значение интегрального коэффициента черноты тела e_Т. Однако на практике точно определить значение величины e_Т представляет большие трудности, поэтому такие пирометры имеют наибольшую методическую погрешность. Рекомендуемый диапазон измерения температур составляет от 30 до 2500⁰ С. В качестве чувствительного элемента, воспринимающего излучение, применяются термические приемники излучения: термобатареи или болометры (терморезисторы). Для концентрации излучения на спаях термобатареи используют рефракторные (с собирающей линзой) или рефлекторные (с вогнутым зеркалом) оптические системы. В нашей стране серийно выпускаются пирометры типа АПИР – С.

Кроме описанных приборов для измерения температуры, нашедших широкое применение в практике, в особых случаях могут быть применены устройства, принцип работы которых основан на иных физических или химических эффектах.