Измерение температуры термоэлектрическим и терморезистивным методами

Приваривается проводящее металлическое покрытие (обычно серебряное), и подсоединяются выводы. Законченный термистор обычно покрывается эпоксидной смолой или стеклом или заключается в какой-нибудь другой корпус.

                      Рис.4

           

      Из рис. 4 можно видеть, что имеется множество типов термисторов.

Термисторы имеют вид дисков и шайб диаметром от 2.5 до приблизительно 25.5 мм, форму стержней различных размеров.

 

      Некоторые термисторы  сначала изготавливаются в виде  больших пластин, а затем режутся  на квадраты. Очень маленькие  бусинковые термисторы изготавливаются  путем непосредственного обжигания  капли теста на двух выводах  из тугоплавкого титанового сплава  с последующим опусканием термистора  в стекло с целью получения  покрытия.

 

 

3,3 Первичным преобразователем термоэлектрического термометра служит термопара, состоящая из двух разнородных проводников. Принцип действия термопары основан на термоэлектрическом эффекте, т.е. на возникновении в замкнутой цепи из двух разнородных проводников электрического тока, в том случае если места спаев имеют разную температуру [1].

 

                                        

 

 

 

 

 

Рис 1.  Термоэлектрическая цепь из двух разнородных

проводников

 

Спай с температурой t  называется горячим или рабочим, спай с температурой t0- холодным или свободным, а проводники А и В - термоэлектродами.

Термоэлектрический эффект объясняется наличием в металлесвободных электронов, число которых в единице объема различно для разных металлов.

Электрическое поле, возникающее в месте соприкосновения проводников, препятствует диффузии электронов, и, когда скорость диффузии электронов станет, равна скорости их обратного перехода под влиянием установившегося электрического поля, наступает состояние подвижного равновесия. При таком состоянии между проводниками возникает некоторая разность потенциалов, а следовательно, и ТЭДС. Таким образом, термоЭДС (ТЭДС) является функцией двух переменных величин, т.е. ЕАВ (t,t0).

Поддерживая температуру спаев t0 постоянной, получим

 

ЕАВ (t,t0)=f (t).

 

Это означает, что измерение температуры t сводится к определению ТЭДС термопары. ТЭДС не меняется от введения в цепь термопары третьего проводника, если температуры концов этого проводника одинаковы. Следовательно, в цепь термопары можно включать соединительные провода и измерительные приборы.

Требования к материалу для изготовления термопары:

1. постоянство ТЭДС во времени;

2. устойчивость к воздействию высоких температур;

3. возможно большая величина ТЭДС и однозначная зависимость ее от температуры;

4. небольшой температурный коэффициент электрического сопротивления и большая электропроводность;

5. Воспроизводимость термоэлектрических свойств, обеспечивающих взаимозаменяемость термопар.

 

4.Конструктивные особенности прибора.

4.1 Устройство платиновых и медных термопреобразователей сопротивления. Диапазон измеряемых температур для каждого типа термопреобразователя сопротивления 

Платиновые термометры сопротивления (ТСП) выпускаются серийно для температур от –200 до +6500С соответственно градуировки согласно ГОСТ 6651-94:

· 50П - электрическое сопротивление от 40 до 90 Ом.

· 100П (Pt 100)- электрическое сопротивление от 80 до 180 Ом.

Медные термометры сопротивления (ТСМ) выпускаются серийно для контроля температур от –500С до +1800С, соответственно градуировки:

· 50М - электрическое сопротивление от 40 до 150 Ом.

· 100М - электрическое сопротивление от 80 до 300 Ом.

 

В стандартном платиновом термометре сопротивления (рис.1) платиновая проволока диаметром 0,07 мм и длиной около 2 м бифилярно намотана на слюдяную пластинку с зубчатыми краями и с обеих сторон прикрыта двумя слюдяными прямоугольными накладками для обеспечения ее изоляции и придания механической прочности. Все три слюдяные пластинки скреплены в пакет серебряной лентой. К концам платиновой проволоки припаяны выводы из серебряных проволочек диаметром 1 мм, изолированных фарфоровыми бусами. Элемент сопротивления помещен в алюминиевую защитную трубку, свободное сечение которой заполнено по всей длине чувствительной части термометра алюминиевым вкладышем. Собранный элемент термометра сопротивления помещается еще в одну наружную защитную

трубку с заваренным дном, имеющую штуцерную гайку и алюминиевую головку [1].

Стандартный медный термометр сопротивления (рис.2) отечественного производства выполнен из медной эмалированной проволоки диаметром 0,1 мм, многослойно намотанной на цилиндрический пластмассовый стержень. Проволока покрыта сверху слоем лака. К концам медной проволоки припаяны выводы также из медной проволоки диаметром 1,0—1,5 мм. Собранный термометр сопротивления помещен в защитную стальную трубку.

Чувствительный элемент всех медных термометров сопротивления представляет собой бескаркасную безындукционную намотку из медной проволоки диаметром 0,08 мм, покрытую фторопластовой пленкой. К намотке припаяны два вывода. С целью обеспечения виброустойчивости чувствительный элемент помещается в тонкостенную металлическую гильзу, засыпается керамическим порошком и герметизируется.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.2 Полупроводниковые термометры сопротивления изготавливаются из окислов различных металлов с добавками. Наибольшее распространение имеют термометры сопротивления кобальто-марганцевые (КМТ) и медно-марганцевые (ММТ), используемые для измерения температур в пределах от - 90 до +180°С. В отличие от металлических сопротивление этих термометров при увеличении температуры уменьшается по экспоненциальному закону, благодаря чему они имеют высокую чувствительность. Однако изготавливать полупроводниковые термометры со строго одинаковыми характеристиками не удается, поэтому они градуируются индивидуально. Чаще всего их используют в качестве датчиков различных автоматических устройств

Но как говорилось выше существуют полупроводниковые термисторы с положительным ТКС можно разделить на 2 группы:

 

1.                        Терморезисторы из полупроводникового  материала (обычно Si) в форме небольших  пластин с двумя выводами на  противоположных сторонах. Их применение  основано на том, что легированные  кристаллы Si (кремния) как n-, так и p- типа имеют положительный ТКС  при температуре от криогенных  до 150oC и выше, причем ТКС при  комнатной температуре примерно  равен 0,8% на 1oC.

 

2.                        Терморезисторы с большим ТКС (до 70% на 1oC), но в более ограниченном  диапазоне температур. Материалом  в данном случае является поликристаллический  полупроводниковый титанат бария  с большим изменением ТКС при  температуре 120oC, соответствующей сегнетоэлектрической  точке Кюри этого материала. Добавляя  другие материалы, например титанат  свинца или стронций, такое изменение  ТКС можно получить при температурах  от -100 до +250oC. Можно также изменить  наклон кривой сопротивления  так, что большое изменение температур  будет происходить в более  узком интервале температур, например 0-100oC.

 

Можно сказать несколько слов о титанате бария. При низких температурах это вещество представляет собой диэлектрик с преобладающей спонтанной поляризацией, потенциальный барьер между кристаллами мал. Очень важна температура, соответствующая точке Кюри для TiBa. При нагреве до этой температуры спонтанная поляризация исчезает, возрастает высота барьера и, следовательно, сопротивление сильно увеличивается.

4.3термопары

Рабочий конец термометров (рис. 2-14) в большинстве случаев образуется скруткой и сваркой концов термоэлектродов в пламени электрической дуги или гремучего газа. Иногда применяется также спайка концов термоэлектродов серебряным припоем.

 

 

Длина термоэлектродов выбирается в зависимости от условий установки термометра, в частности от глубины погружения его в измеряемую среду. Термоэлектроды из благородных металлов изготовляются обычно из проволоки диаметром 0,5 мм, а из неблагородных - диаметром 1,2 - 3,2 мм 1 (1 ГОСТ 1790-63. Проволока для термоэлектродов термопар из сплавов хромель Т, алюмель и копель.). Диаметр термоэлектродов определяется назначением термометра (технический, лабораторный и др.), диапазоном измеряемых температур, а также необходимой прочностью.

Для изоляции термоэлектродов и защиты их от вредного воздействия окружающей среды, а также для обеспечения прочности термометра и удобства его установки он имеет специальную арматуру, состоящую из электроизоляции, защитного чехла и головки с зажимами для присоединения внешних проводов.

Термоэлектроды термометра от спая до зажимов тщательно изолируются. В качестве изоляции применяются одно- или двухканальные трубки или бусы - из фарфора (до температуры 1300 °С) и окислов алюминия, магния или бериллия (свыше 1300 °С), надеваемые на термоэлектроды.

Защитный чехол термометра представляет закрытую с одного конца трубку, предохраняющую термоэлектроды от воздействия внешней среды. Он должен обладать устойчивостью против действия высокой температуры и резких ее колебаний, быть механически прочным и газонепроницаемым, а также не выделять при нагревании вредных для термоэлектродов газов и паров.

Термометры из благородных металлов имеют защитные чехлы из алунда, состоящего из смеси окислов алюминия (99% А12O3) и титана (1% ТiO2), выдерживающие температуру до 1600 °С. Для термометров из неблагородных металлов используются стальные защитные чехлы. Чехлы из углеродистой стали применяются для работы при температуре до 600 °С, а из нержавеющей и жаропрочной - до 1000 °С.

Для снижения стоимости стальных чехлов их иногда выполняют составными: концевую часть, погружаемую в измеряемую среду, - из легированной стали, а остальную часть - из углеродистой. Стальные защитные чехлы термометров бывают без штуцера и с подвижным (имеющим сальник) или неподвижным (приваренным к чехлу) штуцером с резьбой, служащим для установки термометра в месте измерения температуры. Термометры без штуцера устанавливаются с помощью особого крепления.

 

Головка термометра, закрытая съемной крышкой и имеющая обычно водозащищенное исполнение, изготовляется из бакелита или алюминия и жестко соединяется с открытым концом защитного чехла. В головке расположены зажимы для подключения внешних проводов и штуцер с уплотнением для их ввода.

 

В тех случаях, когда термоэлектроды не подвергаются длительно вредному воздействию внешней среды и не требуют придания им большой прочности, защитные чехлы и закрытые головки не применяются. К этой группе относится большинство термометров, применяемых яри специальных и лабораторных измерениях.

 

Запаздывание показаний термоэлектрических термометров зависит от их тепловой инерции, показателем которой является время, необходимое для того, чтобы при быстром внесении равномерно нагретого до 30 - 35 °С термометра в водяной термостат с более низкой постоянной температурой (около 15 - 20 °С) разность температур воды и термометра стала равной 37% температуры, которую термометр будет иметь к моменту наступления теплового равновесия (т. е. практически от температуры воды в термостате). В зависимости от значения показателя тепловой инерции термометры бывают малоинерционные (до 40 с), со средней инерционностью (до 1 мин), с большой инерционностью (до 3,5 мин) и с ненормированной инерционностью (свыше 3,5 мин).

 

Выпускаются одинарные (с одним чувствительным элементом) и двойные (с двумя чувствительными элементами) термоэлектрические термометры различных типов.

 

Двойные термометры применяются для измерения температуры в одном и том же месте одновременно двумя вторичными приборами, установленными в разных пунктах наблюдения. Они содержат два одинаковых чувствительных элемента, заключенных в общую арматуру. Термо-алектроды их изолированы друг от друга и защитного чехла. В головке термометра находятся четыре зажима для присоединения проводов от вторичных приборов.

 

5. Подключение и сопутствующие приборы.

5.1 В качестве измерительных приборов термометров сопротивления применяются логометры и уравновешенные мосты. Для полупроводниковых термосопротивлений измерительными приборами обычно служат неуравновешенные мосты [1].