Какие вторичные приборы используются с термометрами сопротивления

Термометры сопротивления и вторичные приборы для работы с ними.

В ТС (термометрах сопротивления) используют свойство металлов и полупроводниковых материалов изменять сопротивление в зависимости от температуры.

² ТС² бывают проволочные и полупроводниковые (термисторы).

Наиболее широко применяют проволочные термометры сопротивления. Их изготовляют из платины и меди. Термометры сопротивления из платины наиболее полно отвечают требованиям, предъявляемым к этим устройствам.

Платина обладает большой химической инертностью и неокисляемостью в окислительной среде и большим удельным сопротивлением.

Для изготовления ТС применяют и медь, которая обладает рядом свойств: низкой стоимостью и легкостью получения в чистом виде. К недостаткам меди относятся небольшое удельное сопротивление и окисляемость при высоких температурах.

Определение зависимости сопротивления чувствительного элемента от температуры называется градуировкой термометра сопротивления.

ТС отличаются один от другого различным значением сопротивления чувствительного элемента

, т.е. имеют градуировки.

Термометр сопротивления (ТС) состоит из сердечника (1), выполненного из электроизоляционного материала, на котором намотана платиновая проволока диаметром 0, 05 мм или медная d = 0, 1 мм. Для предохранения чувствительного элемента ТС от механических повреждений его помещают в защитную арматуру 2. В комплекте с ² ТС² в качестве вторичных приборов могут работать приборы, фиксирующие изменения сопротивления – логометры и автоматические электронные компенсаторы.

Рис.21. Схема термометра сопротивления

Средство измерения, предназначенное для выработки сигнала информации в форме, удобной для передачи дальнейшего преобразования и обработки, называется измерительным преобразователем. Элемент преобразователя, непосредственно соединенный с преобразующей величиной и находящийся под ее воздействием, называется чувствительным элементом. Примером измерительного преобразователя может служить термоэлектрический термометр (термопара). Измерительные преобразователи предназначены для дистанционной передачи сигнала на измерительные приборы (ИП). Измерительные приборы называют вторичными. Для соединения передающих измерительных преобразователей и вторичных приборов служат каналы связи.

Примером позиционного электрического регулятора является поплавковое реле уровня, регулирующее уровень жидкости в расходном баке.

Рис.82. Позиционный регулятор

а) – схема регулирования;

б) – график действия;

в) – условное изображение в схемах.

1 – поплавок;

2 – переключатель;

3 – пускатель;

4 – электродвигатель;

5 – насос.

Поплавок 1 прикреплен к переключателю 2. При опускании поплавка вместе с уровнем жидкости закрепленный на поплавке переключатель упирается в контакт К1, который через магнитный пускатель 3 включает электродвигатель 4 насоса 5.

Насос начинает подавать жидкость в бак, и уровень ее повышается до тех пор, пока переключатель 2 не перейдет в положение К2.

При этом контакт К2 замкнется, и двигатель остановится.

По мере расхода жидкости из бака ее уровень будет понижаться, пока переключатель 2 снова не замкнет контакт К1 и не включит насос.

Такой позиционный регулятор поддерживает уровень жидкости от Н1 до Н2.

Частота включения и отключения двигателя зависит от расхода жидкости, подачи насоса и установленной разности Н1 – Н2.

Чем меньше эта разность, тем чаще будет включаться и отключаться насос.

При ПР (позиционном регулировании) параметр (в данном случае уровень жидкости) все время изменяется от min до max значения, что является недостатком этого метода регулирования.

Для позиционного регулирования технологических параметров используют также электронные автоматические компенсаторы (потенциометры) со встроенными контактными устройствами, позволяющими осуществлять двух и трехпозиционное регулирование. Широкое распространение для ПР получили регулирующие милливольтметры и логометры.

Рис.34. Схема чашечного манометра

отличаются от U – образных приборов тем, что трубка 1 расширена и имеет вид чаши. Принцип действия основан на уравновешивании измеряемого давления (разрежения) гидростатическим напором столба жидкости ² 2².

При измерении давления полость над чашей соединяется с измеряемой средой, а трубка ² 3² – с атмосферой.

Микроманометры – применяют для измерения давлений до 100 Па. Они представляют собой чашечный манометр, у которого измерительная трубка может быть наклонена под различным углом к горизонтальной плоскости. Давление определяют по формуле:

где К – постоянная прибора (указывается по шкале);

– плотность рабочей жидкости; g – ускорение силы тяжести;

– угол наклона трубки);

n – высота столба.

47. Приборы для определения концентрации по цветности и прозрачности основаны на законе прямой зависимости между концентрацией раствора и его прозрачностью.

В автоматических приборах используют свойство фотоэлементов: при попадании света на светочувствительную поверхность в цепи фотоэлемента возникает ток, значение которого зависит от прозрачности раствора.

Приборы изготавливают с одним или 2-мя фотоэлементами.

В приборе лучи света от лампы 1 через призмы 2, линзы 3 и сосуды 4 и 7 попадают параллельными пучками на два фотоэлемента 5.

Сосуд 7 заполняют эталонной средой, прозрачность которой известна, а сосуд 4 – исследуемой средой.

Встречные токи, возникающие под действием световых лучей обоих фотоэлементов при одинаковой цветности и прозрачности в сосудах 4 и 7, будут равны и взаимно компенсироваться.

Если же цветность или прозрачность исследуемой среды будут отличаться от эталонной, возникнет разность потенциалов в фотоэлементах, в цепи появится ток и отклонит стрелку гальванометра 6. Шкала гальванометра отградуирована в % относительной цветности или прозрачности.

Измерение температуры термометрами сопротивления

Принцип действия термометров сопротивления основан на свойстве вещества изменять своё электрическое сопротивление с изменением температуры.

Термометр сопротивления (ТС) погружают в среду, температуру которой необходимо определить. Зная зависимость сопротивления термометра от температуры, можно по изменению сопротивления судить о температуре среды, в которой он находится.

Раньше считали, что наиболее подходящим материалом для изготовления термометров сопротивления являются только чистые металлы, однако исследования показали, что ряд полупроводников также могут быть использованы в качестве материала для изготовления ТС.

ТС из чистых металлов получили наибольшее распространение, изготавливают их обычно в виде обмотки из тонкой проволоки на специальном каркасе из изоляционного материала. Эту обмотку принято называть чувствительным элементом ТС. У металлических ТС сопротивление с увеличением температуры – увеличивается.

Достоинства металлических ТС: высокая степень точности измерения температуры.

Полупроводниковые ТС, могут быть использованы для измерения температур от 1, 3 до 100К. В технологических измерениях применяются реже по сравнению с металлическими, т.к. требуют индивидуальной градуировки. У полупроводниковых ТС сопротивление с увеличением температуры – уменьшается.

Требования, предъявляемые к чувствительным элементам ТС:

1. Высокое удельное электрическое сопротивление, т.е. чем больше удельное сопротивление, тем проще увидеть изменение температуры.

2. Высокий температурный коэффициент.

Изменение сопротивления материала при изменении температуры характеризуется температурным коэффициентом сопротивления, который вычисляется по формуле:

– температура материала, °С;

– электросопротивление соответственно при 0 °С и температуре

3. Воспроизводимость характеристики и её стабильность.

4. Химическая инертность в измеряемой среде.

5. Воспроизводимость материалов.

6. Постоянство физических свойств во времени.

Обязательным требованием является третье, все остальные желательны.

Наиболее полно этим требованиям удовлетворяют следующие материалы: платина, медь, никель.

Точность измерений температуры зависит не только от типа ТС, а также от точности прибора, которым измеряют сопротивление.

В комплекте с ТС работают следующие вторичные приборы:

1. Мосты уравновешенные и неуравновешенные, а также автоматические;

3. Приборы Диск-250 и А-566

4. Интеллектуальные преобразователи.

Основные характеристики термометров сопротивления

Установка включает образцовый прибор: одинарно-двойной мост постоянного тока типа Р329, применяемый в качестве меры сопротивления 1, логометр 2, вторичный прибор Диск-250 3, прибор А-566 4 (рис. 1).

Рис. 1. Схема лабораторной установки

Питание установки 220 В должно быть включено за 5 – 10 мин до начала поверки.

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с методикой поверки, схемой экспериментальной установки.

2. Подготовить протоколы поверки. Протоколы поверки выполняются на отдельной странице. Для каждого прибора должен быть отдельный протокол.

3. Записать все данные о приборах в соответствующие протоколы.

4. Получив разрешение, включить установку. Прогреть 5 – 10 мин.

5. Изменяя сопротивление моста Р329, подойти к каждой оцифрованной отметке соответствующего поверяемого прибора (Диск-250, логометр, А-542) с левой стороны и записать показания моста в колонку «Прямой ход», а затем с правой стороны, записывая данный в колонку «Обратный ход» (примечание: прибор А-542 является цифровым, поэтому для него достаточно поверить показания при прямом ходе измерения).

6. Обработать результаты.

Приборы, работающие с термометрами сопротивления и термоэлектрическими преобразователями

Для измерения термо-ЭДС, развиваемой термоэлектрическими термометрами, используются магнитоэлектрические милливольтметры, потенциометры и нормирующие преобразователи.

В практике технических измерений температуры с использованием термопреобразователей сопротивления широкое применение нашли мосты (уравновешенные и неуравновешенные), логометры и нормирующие преобразователи.

Для точных измерений температуры и метрологической аттестации термопреобразователей сопротивления получили применение мосты постоянного тока.

Милливольтметры—магнитоэлектрические приборы, ра­бота их основана на взаимодействии проводника, по которому течет ток, и магнитного поля постоянного магнита.

Рисунок 8 – Милливольтметр:

1-магнит, 2-сердечник, 3-спиральная пружинка, 4-рамка, 5-добавочный резистор

Магнитная система милливольтметра состоит из магнита 1, полюсных на­конечников и цилиндрического сердечника 2. В кольцевом воз­душном зазоре между полюсными наконечниками и сердечни­ком вращается рамка 4 из медного или, реже, алюминиевого изо­лированного провода. Чаще всего рамки крепятся на кернах, которые опираются на подпятники из агата или рубина. Мо­мент, противодействующий вращению рамки, создается спираль­ными пружинами, которые одновременно служат и для подво­да тока к рамке.

На конце стрелки подвешиваются грузики, которые уравновешивают подвижную систему так, что центр тяжести находится на оси рамки. Ток, протекая через рамку, вы­зывает появление двух одинаковых сил, направленных в раз­ные стороны и стремящихся повернуть рамку.

Сила тока протекающего по рамке определяется т.э.д.с. термоэлектрического преобразователя Ex и сопротивлением электрической цепи R:

J = Ex/R

Сопротивление цепи складывается из сопротивления преобразователя Rт, сопротивления соединительных проводов Rc.п и сопротив­ления рамки Rp

Тогда угол поворота определяется по формуле:

φ = kEx/( Rт+Rс.п+Rр)

Из этого уравнения следует, что для получения однознач­ной зависимости угла поворота рамки со стрелкой от т. э. д. с. необходимо, чтобы сопротивление цепи оставалось всег­да постоянным. Но если при стационарных условиях работы милливольтметра сопротивление рамки Rp можно считать прак­тически постоянным, то сопротивление ТЭП Rт колеблется при измерении измеряемой температуры. Сопротивление со­единительных проводов Rc.n при изменении температуры окру­жающей среды также приводит к появлению погрешности из­мерения.

Для снижения погрешности измерения увеличивают сопротивление цепи последовательным подключением к рамке дополнительного сопротивления Rд (рис. 9) в виде катушки из манганиновой проволоки (с практически неизменя­ющимся сопротивлением при изменении температуры). Для получения правильных показаний дейст­вительное значение

Rв= Rт + Rc.п

должно соответствовать расчетному.

Рисунок 9 – Схема включения соединительных проводов

Принцип действия потенциометров (рис.10) основан на уравновешивании (компенсации) измеряемой т.э.д.с. изве­стной разностью потенциалов. Эта разность потенциалов со­здается в потенциометре посторонним источником энергии.

Сигнал с термопары E(t2t0) сравнивается с компенсирующем напряжением Uк, снимаемым с диагонали неуравновешенного моста.

Мостовая схема является более усовершенствованной (по сравнению с милливольтметром) и позволяет постоянно вводить коррекцию на изменяющуюся температуру свободных концов.

Если E(t2t0) не равно Uк, то на вход вибропреобразователя (ВП) подаётся сигнал разбаланса :

ΔU = E(t2t0) -Uк

РД перемещает одновременно движок реохорда Rр и стрелку относительно шкалы прибора. Изменение положения движка реохорда приводит к такому изменению Uк, которое влечёт за собой изменение измеряемой т.э.д.с., т.е. устанавливается равенство или

На вход усилителя поступает нулевой сигнал и РД остаётся в том же положении, т.е. прибор автоматически компенсирует измеряемый сигнал с известным напряжением.

Потенциометр – многоточечные приборы (от 3 до 24 датчиков), самопишущие, показывающие, имеют блок сигнализации и блокировки.

Типы – КСП1, КСП2, КСП3, КСП4, ФЩЛ.

Рисунок 10 – Схема упрощённого автоматического потенциометра

Логометры предназначеныдля измерения темпе­ратуры с помощью термометров сопротивления. Логометры по­строены по принципу сравнения сил токов в цепях термометра и постоянного сопротивления.

Рисунок 11 – Принципиальная (а) и электрическая (б) схемы логометра

Логометр представляет собой двухрамочный магнитоэлектрический миллиамперметр. Подвиж­ная часть его (рис. 11, а) состоит из двух рамок 1 и 2, жест­ко скрепленных одна с другой и соединенных со стрелкой, ко­нец которой перемещается вдоль шкалы. Рамки охватывают неподвижный сердечник С и могут перемещаться в зазоре пе­ременной ширины между полюсами S и N постоянного магнита и сердечника. Вся подвижная система укреплена по центру сердечника, обычно на керновых опорах. Обе рамки питаются от общего источника постоянного то­ка Б с напряжением Еб. Последовательно с рамкой 1 включа­ется постоянное сопротивление Rк, а последовательно с рам­кой 2—термометр Rt.

Магнитные моменты, возникающие в рамках, соответствен­но равны

M1 = k1B1I1

где k1и k2 — постоянные коэффициенты, определяемые геометрическими раз­мерами рамок и числом витков проводов в них;

B1и В2 — магнитные индук­ции в местах расположения рамок.

В различных точках зазора переменной ширины магнитная индукция будет различной. Отношение индукций B1:В2 для жестко скрепленных рамок зависит от угла поворота рамок:

φ = f(B1/ В2)

В положении равновесия, когда:

М1 = М2

магнитные моменты рамок будут равны

k1B1 I1 = k2B2I2

B1/ В2 = k2I2 / k1I1

Откуда угол поворота рамок

или, учитывая, что Rp’, Rp’’ и Rк практически постоянны

φ = f(Rt)

Для повышения чувствительности реальных схем включают рамки логометра Rp’ и Rp’’ в диагональ неуравновешенного мо­ста с постоянными сопротивлениями R1, R2 и R3 (рис. 11,6). Манганиновое R4 и медное R5 сопротивления служат для умень­шения общего температурного коэффициента логометра (при изменении температуры окружающей среды).

Типы логометров: Л-64, ЛР-64, Ш-6900.

Для измерения сопротивления термометров можно применять обычные в электротехнике мостовые схемы: уравновешенные и неуравновешенные.

Рисунок 12 – Простейший уравновешенный мост.

Термометр сопротивления Rt и расположенные последовательно с ним два сопротивления Rл соединительных линий включены в плечо СВ мостовой схемы. В диагональ DB моста подаётся напряжение от батареи Б. Изменяя сопротивления R3, добиваются равенства напряжения в точках А и С, что подтверждается отсутствием тока в диагонали АС гальванометром G.

Сопротивление линии 2Rл с помощью подгоночной катушки устанавливаются постоянными. Сопротивления R2 и R1 постоянны и выполнены (так же как и сопротивление R3)из манганина.

Мостовая схема, изображенная на рис. 12, обладает высокой точностью измерения и практически не зависит от напряжения батареи Б. При нулевом отсчете по гальванометру, отпадают погрешности, обусловленные температурой окружаю­щей среды и посторонними магнитными воздействиями.

Схема уравновешенного моста с трёхпроводным включением термометра сопротивления представлени на рис. 13.

Рисунок 13 – Уравновешенный мост с трёхпроводным включением термометра сопротивления

В этой схеме передвижной контакт не относится к сопротивлению плеча АВ, а включен в диагональ СА, сопротивление которой в момент отсчета (при нулевом токе) практически не имеет значения. Для устранения влияния возможного изменения сопротивле­ния Rл соединительных линий питание моста (точка В) пере­несено непосредственно к термометру. В трехпроводных схемах сопротивление каждой линии доводится до установленного значения Rл с по­мощью отдельных подгоночных сопротивлений в каждой линии. Недостаток уравновешенных мостовых схем (необходимость выполнения ручных манипуляций) устранен в схемах неуравно­вешенных мостов.

На рис. 14 показана схема неуравновешенного моста для измерения сопротивления Rt, включенного по трехпроводной схеме.

Рисунок 14 – Неуравновешенный мост

В диагональ моста СА включается вместо гальванометра миллиамперметр тА. Напряжение питания моста в диагона­ли BD должно поддерживаться постоянным. Контроль напря­жения в диагонали BD осуществляется включением контроль­ного сопротивления Рк. (при положении 2 переключателя).

Для установленного значения напряжения при постоянных сопротивлениях плеч R1, R2, R3 и R4 ток в диагонали СА будет иметь определенное значение, что контролируется миллиампер­метром. Отклонение от установленной величины тока корректи­руется сопротивлением Rрег.

После того как установится напряжение ЕБD в точкахВ и D, переключатель ставят в положение 1 и измеряют сопротив­ление Rt.

Измерительные приборы, применяемые в комплекте с термопреобразователями сопротивления

Логометры — это магнитоэлектрические приборы, подвижная система которых состоит из двух жесткоскрепленных между собой рамок, расположенных под некоторым углом друг другу (в предельном случае в одной плоскости).

Угол поворота такой подвижной системы есть функция отно­шения токов в обеих рамках:

f = f(I1/ I2),

где I1, I2 – токи, протекающие по рамкам.

Рассмотрим схему логометра (рис. 11). Постоянный магнит снабжен полюсными наконечниками N и S с эллиптическими выточками. Центры выточек полюсных наконечников смещены относительно центра сердечника. Между полюсными наконеч­никами расположен цилиндрический сердечник из мягкой стали, вокруг которого вращается подвижная система из двух рамок – R1 и R2. К рамкам прикреплена стрелка, перемещающаяся вдоль шкалы, проградуированной в градусах. Воздушный зазор между полюсными наконечниками и сердечником неравномерен. Поэтому магнитная индукция меняется (наибольшее значение в середине полюсных наконечников, наименьшее – у края), являясь функ­цией угла поворота от среднего положения.

К рамкам подводится ток от общего источника питания (сухой батареи). В рамку R1 ток поступает через постоянное сопротивление R, в рамку R2— через сопротивление термометра Rt. Напра­вление токов I1 и I2 таково, что вращающие моменты рамок оказываются направленными навстречу один другому и соответственно равны:

M1= c1B1I1; M2 = с2B2I2,

Если сопротивление рамок одина­ково и R = Rt, то I1 = I2, т. е. вра­щающие моменты рамок равны. При этом подвижная система нахо­дится в среднем положении.

При изменении сопротивления Rt термометра вследствие нагрева (или охлаждения), через одну из рамок потечет ток большей вели­чины, равенство моментов нарушится, и подвижная система начнет поворачиваться в сторону действия большего момента. При вра­щении подвижной системы рамка, по которой течет ток большей величины, попадает в зазор с меньшей магнитной индукцией, вследствие чего действующий на нее момент уменьшается. Наобо­рот, другая рамка входит в зазор с большой магнитной индукцией, и ее момент увеличивается. Вращение рамок продолжается до тех пор, пока их вращающие моменты станут снова равными.

Для рамок одинаковой конструкции из соотношения М1=М2 таким образом имеем:

При изменении Rt изменяется отношение I1/I2. Рамки вращаются до тех пор, пока при новом положении рамок отношение В2/В1 не сравняется с соотношением I1/I2.

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕРМОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ СОПРОТИВЛЕНИЯ В КОМПЛЕКТЕ СО ВТОРИЧНЫМ ПРИБОРОМ

Цель работы: ознакомиться с принципом действия и устройством термопреобразователей сопротивления; произвести измерение температуры с помощью термопреобразователя сопротивления в комплекте с цифровым измерителем-регулятором; определить погрешность измерения комплекта и его пригодность.

Принцип действия термопреобразователя сопротивления основан на свойстве металлов и полупроводников изменять своё электрическое сопротивление в зависимости от температуры. Величину, характеризующую изменение электросопротивления материалов в зависимости от температуры, называют температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) и обозначают α. Если Rt – электрическое сопротивление при некоторой температуре t, а R0 – электрическое сопротивление при 0˚С, то температурный коэффициент сопротивления можно определить по формуле:

Платиновую проволоку применяют в образцовых и технических термопреобразователях сопротивления. Диапазон температур, при которых работают платиновые термопреобразователи сопротивления, составляет –260 ¸ +11000С. К недостаткам платины относится отклонение температурной зависимости сопротивления от линейного закона.

В зависимости от назначения термопреобразователи сопротивления (ТС) бывают эталонные (платиновые), образцовые (платиновые) и рабочие. К рабочим ТС относятся лабораторные (преимущественно платиновые) и технические (платиновые и медные).

При эксплуатации технических ТС важна их взаимозаменяемость, основным условием которой является равенство сопротивлений всех термопреобразователей при определённой температуре в пределе установленных допусков. Взаимозаменяемость достигается стандартной градуировкой, при которой все термометры одной градуировки имеют одинаковые сопротивления при 0˚С и равные значения ТКС.

Зависимость сопротивления полупроводникового термопреобразователя (терморезистора) от температуры может быть описана формулой:

где R0 – сопротивление терморезистора при температуре Т0, как правило, Т0=293К (20˚С); Rt – сопротивление при температуре Т; B – коэффициент, зависящий от материала проводника.

В связи с тем, что технология получения терморезисторов не позволяет изготавливать их с идентичными характеристиками, все полупроводниковые термопреобразователи сопротивления имеют индивидуальные характеристики, следовательно не являются взаимозаменяемыми, но благодаря высокой чувствительности применяются в системах сигнализации.

При измерении температуры термопреобразователем сопротивления необходимо точно определить значение сопротивления, для чего используют мостовые схемы.

Рис.1. Схема уравновешенного моста

Сопротивления R1, R3 постоянные.

R2–сопротивление реохорда (переменное);

Rt – термопреобразователь сопротивления;

НП – нуль-прибор.

В измерительной схеме ток от источника Uпит. Протекает по двум ветвям: асb и adb. Меняя значение R2 можно добиться такого состояния, при котором разность потенциалов в точках с и d, а следовательно и ток в диагонали моста с и d, равны нулю. Это состояние называется равновесием моста.

Мост считается уравновешенным, когда произведение сопротивлений противоположных плеч моста равны, т.е. R1Rt=R2R3. При этом, каждому значению Rt будет соответствовать определённое значение R2.

Рис.2. Трёхпроводная схема уравновешенного моста

Такое изменение схемы приводит к тому, что сопротивление внешних проводов Rвн оказываются в разных плечах моста и, следовательно, в разных частях уравнения, поэтому их влияние на баланс компенсируется:

При условии, что R1=R3 зависимость между Rt и R2 становится однозначной: R2=Rt.

Неуравновешенные мосты (рис.3) обладают тем преимуществом, что не требуют уравновешивания тока в их измерительной диагонали. Величина этого тока и является мерой измеряемого мостом сопротивления.

Рис.3. Схема неуравновешенного моста

Необходимо учитывать, что такие схемы очень чувствительны к нестабильности напряжения питания (Uab) поэтому перед измерением его необходимо проконтролировать.

Для контроля разности потенциалов Uab переключатель ставят в положение 2 и с помощью реостата R устанавливают стрелку милли-вольтметра точно на красной черте. После этого переключатель ставят в положение 1и по шкале снимают отсчет, соответствующий температуре термометра.

Применение стабилизированных источников питания исключает необходимость контроля.

Эти мосты используются иногда в лабораторной практике, а также в измерительных схемах других приборов.

Средства автоматического контроля температуры

Температура является важнейшим параметром множества технологических и теплотехнических процессов, характеристикой кинетической энергии молекул и характеризует степень нагретости тела. Единицей измерения температуры является Кельвин (К); допускается измерять температуру в градусах Цельсия (0С). Диапазон измерения температур в практике весьма широк, следовательно, различны и методы измерения температуры. Самое широкое распространение получили:

1. Термометры сопротивления;

2. Термоэлектрические термометры;

3. Пирометры излучения.

Термометры сопротивления и термоэлектрические термометры применяются для контроля температуры охлаждения воды подогретых газов поступающих в горелочное устройство футеровок агрегатов жидких металлов и шлаков. Пирометры измеряют температуру внутри пространства агрегата, насадок регенераторов, жидких металла и шлака и т.д.

Принцип действия термометра сопротивления основан на способности металлов и проводников материалов изменять электрическое сопротивление с изменением температуры. Для изготовления чувствительных элементов термометров применяются медная, платиновая или никелевая проволока.

Для термометров из меди и никеля зависимость между температурой t и сопротивлением Rt в диапазоне (-2000C; +2000C) линейна:

где R0 – удельное сопротивление при 0 градусов Цельсия;

α- температурный коэффициент сопротивления проволоки.

Зависимость сопротивления платиновой проволоки от температуры в диапазоне (-2600C; 00C).

Диапазон (00С; 6600С):

Полупроводниковые термометры сопротивления – термисторы в диапазоне –900С +1800С имеют зависимость:

где А, В, С – температурные коэффициенты металлов.

Чувствительные элементы термисторов изготовляют из оксидов кобальта марганца меди и никеля.

Чувствительный элемент платинового термометра сопротивления (рис. 10.1а) представляет собой спираль 1 помещенную в 2-ух или 4-ех канальный чехол 3. К концам спирали припаиваются выводы 5 для подключения элемента к измерительному прибору. Элемент герметизируется специальной глазурью 4 и покрывается защитной оболочкой 2.

Чувствительный элемент медного термометра (рис. 10.1б) представляет собой обмотку из тонкой проволоки 1 покрытую снаружи защитной хлорвиниловой лентой 2. К концам обмотки припаяны выводы 3.

Чувствительные элементы помещаются в защитный керамический или металлический чехол и на объекте устанавливаются с помощью штуцера или другим способом.

В качестве вторичных измерительных приборов в комплекте с термометрами сопротивления используются автоматические измерительные мосты или вторичные приборы с унифицированным входным сигналом типа ДИСК – 250, КСУ, КПУ, КВУ. Если термометры сопротивления используются в комплекте с вторичными приборами, имеющими унифицированный вход, то между термометрами сопротивления и вторичным прибором включается специальный нормирующий преобразователь «сопротивление – ток», который преобразует электрическое сопротивление термометра в унифицированный токовый сигнал (0-5мА или 4-20мА). Довольно широко в комплекте с термометрами сопротивления применяются так называемые уравновешенные измерительные мосты.

В основу работы уравновешенных мостов положен нулевой метод измерений электрического сопротивления. Прибор представляет собой одинарный мост, состоящий из 2-ух постоянных резисторов, одного переменного (реохорда) и термометра сопротивления. В одну диагональ моста подается напряжение питания, во вторую – измерительную включается измерительный прибор, например милливольтметр или усилитель, если мост автоматический. Мост находится в равновесии, если произведение сопротивлений противоположных плеч равны между собой. Если мост неуравновешен, то разность потенциалов между вершинами измерительной диагонали поступает в измерительный прибор и стрелка последнего отклоняется от нулевой отметки. Перемещая ползунок реохорда, добиваются установки стрелки в нулевое положение. Таким образом, перемещение реохорда в момент равновесия моста служит мерой температуры измеренной термометром сопротивления.

В автоматических мостах в измерительную диагональ включается фазочувствительный усилитель, а ползунок реохорда снабжается приводом в виде реверсивного электродвигателя, включаемого на выход усилителя.

В термоэлектрический термометр входит термопара и вторичный измерительный прибор. Термопара представляет собой спай двух разнородных проводников 1 и 2 (рис.10.2.).

Рис. 10.2. Термопара

Принцип действия основан на термоэлектрическом эффекте. В замкнутой цепи двух разнородных проводников возникает электрический ток, если места соединения этих проводников (спаи) имеют разную температуру. Спай с температурой t горячий или рабочий, с температурой t0 холодный или свободный.

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

Под действием термоэлектродвижущей силы электроны диффундируют (переходят) допустим, из проводника 1 в проводник 2. Тогда первый проводник в спаях с температурами t и to заряжается положительно, а второй отрицательно. Возникающая между проводниками термоэлектродвижущая сила – разность потенциалов, описывается следующим выражением:

– разность потенциалов при температуре to.

На практике температуру t0 поддерживают постоянной, т.о. результирующая термоЭДС будет функцией измеряемой температуры:

Для термопар используемых в промышленности эту зависимость находят экспериментально. И, т.о. по величине термоЭДС судят об измеряемой температуре.

Термопары стандартных термоэлектрических термометров изготавливаются из проволоки чистых металлов или сплавов диаметром от 0,5 до 3,2 мм. В зависимости от материалов проволоки различают следующие термопары: хромель-алюмелевые (ТХА) с диапазоном измерения от 200 до 10000С, платинородий – платиновые (ТПП) (от 20 до 13000C). Платинородий –платинородиевые (ТПР) (300 – 16000C) и вольфрам- рениевые (10 – 25000C) При кратковременных измерениях предел верхний предел температур увеличивается.

В комплекте с термопарами в качестве вторичных приборов применяются автоматические потенциометры, милливольтметры, а также приборы с унифицированным входным сигналом.

Для определения температуры жидких металлов и шлаков применяют термопары кратковременного и длительного погружения. Термопары кратковременного погружения состоят из стальной трубы, через которую протянуты армированные керамическими изоляторами термоэлектроды. Термоэлектроды по мере расхода сматываются с бухты. Рабочий спай термопары размещен в кварцевом наконечнике, расположенном в графитовом блоке и покрытом огнеупорной обмазкой. Наконечник рассчитан на одно погружение (20 – 40 с).

Существуют конструкции термопар со сменной измерительной головкой. Такие термопары состоят из стальной трубки с защитным чехлом из прессованного картона. В чехле расположена измерительная головка с термопарой в кварцевой трубке. Свободный спай термопары подключается к измерительному прибору с помощью разъемного контактного устройства. Сверху измерительная головка защищена металлическим колпачком, который после погружения в металл растворяется.

Термопары длительного погружения отличаются тем, сто термоэлектроды помещаются в защитную водоохлаждаемую фурму, которая вводится в жидкий металл через горловину конвертера на время от нескольких минут до нескольких часов. Рабочий спай этих термопар защищается наружным наконечником и алунда с засыпкой между ними порошка оксида аллюминия. В качестве термоэлектродов в термопарах используется платинородиевая или вольфпамрениевая проволока.

Пирометры относятся к бесконтактным датчикам температуры. В основу их работы положен принцип использования теплового и светового излучения нагретых тел.

Лучистая энергия выделяется нагретым телом в виде волн различной длины. До 5000С нагретое тело излучает энергию инфракрасного спектра не воспринимаемую человеческим глазом. По мере повышения температуры тело излучает энергию всех воспринимаемых глазом длин. Одновременно с повышением температуры возрастает интенсивность монохроматического излучения (яркость), т.е. излучение при определенной длине волны, а также увеличивается суммарное, т.е. световое и тепловое излучение. Монохроматическое излучение используется в пирометрах частичного излучения, суммарное – в пирометрах полного излучения.

Интенсивность монохроматического и суммарного излучения кроме температуры зависит от физических свойств вещества. Поэтому шкалы приборов работающих в комплекте с пирометрами градуируются по излучению абсолютно черного тела, степень черноты которого Е0 = 1. Реальные физические тела излучают энергию менее интенсивно, т.к. степень черноты для них 0<Е<1. Поэтому пирометры излучения показывают температуру, заниженную относительно действительного значения. Следовательно, при использовании пирометров вводят соответствующие поправки на степень черноты реального тела. В основу работы пирометра частичного излучения положен закон Планка.

где С1 и С2 – константы Планка;

l – длина волны;

Т – абсолютная температура;

-интенсивность монохроматического излучения.

Следствием закона Планка является закон Стефана-Больцмана, выражающий зависимость между суммарной энергией излучения и температурой абсолютно черного тела:

где Ео – энергия суммарного излучения;

-константа излучения абсолютно черного тела.

Этот закон положен в основу работы пирометров полного излучения.

В общем случае пирометр состоит из первичного датчика, вторичного преобразователя и вторичного измерительного прибора.

Пирометр частичного излучения:

Излучение от нагретого тела 1 проходя через объектив 2 и диафрагму 3 попадает на чувствительный элемент 4, который поглощая энергию излучения вырабатывает пропорциональный ей, а следовательно и температуре электрический сигнал напряжения. Этот сигнал поступает в измерительную схему на вторичный преобразователь и вторичный измерительный прибор, градуированный в 0С. В качестве чувствительных элементов в пирометрах частичного излучения применяются фотодиоды фоторезисторы и т.д. В пирометрах полного излучения термобатарея, состоящая из нескольких последовательно соединенных термопар. Для выделения из общего спектра излучения определенной длинны волны, в пирометрах частичного излучения применяется цветной светофильтр 7. Окуляр 6 служит для удобства визирования датчика на тело 1. Все элементы пирометра размещаются в корпусе 5.

К пирометрам частичного излучения относятся оптические, фотоэлектрические и цветовые (спектрального отношения) пирометры. Принцип действия оптических и фотоэлектрических пирометров основан на сравне­нии интенсивности монохроматического излучения нагретого тела и эта­лонной пирометрической лампы накаливания.

В ручных оптических пирометрах типа ОППИР и “Проминь” сравнение интенсивностей излучения производится глазом наблюдателя. С помощью объектива и окуляра пирометра получают четкое изображение нити накаливания на фоне объекта. Далее, изменяя силу тока в пирометрической лампе с помощью реостата, добиваются при красном светофильтре совпа­дение интенсивностей излучения объекта и нити накаливания – нить как бы «исчезает» на фоне объекта. Отсчет температуры производится по шкале милливольтметра в градусах.

В пирометрах частичного излучения ФЭП, “Смотрич” (комплекса АПИР-С) сравнение интенсивностей излучения нагретого тела и лампы на­каливания производится автоматически с использованием фотоэлемента; в пирометрах с первичным преобразователем ПЧД (комплекс АПИР – С) излучение нагретого тела, воспринимается чувствительным элементом (фотодиодом, фоторезистором), преобразуется в унифицированный сигнал (0-5 мА, 4-20 мА или 0-100 мВ) и фиксируется вторичным прибором, шкала которо­го размечена в градусах.

В цветовых пирометра, иначе в пирометрах спектрального отношения «Спектропир», «Веселка» (комплекса АПИР-С), температура определяется по отношению интенсивностей излучения нагретого тела для двух заранее выбранных длин волн l1 и l2.

Пирометры полного (интегрального) излучения носят название радиационных пирометров. Выпускаются пирометры с пирометрическими преобразователями различных типов агрегатированного комплекса стационарных пирометрических преобразователей и пирометров излучения АПИР-С.

Различные типы пирометров позволяют измерять температуру в интер­вале 30-60000С. Кроме степени черноты тела на точность измерения сильно влияет промежуточная среда (пыль, дым, пар и т.п.) между наг­ретым телом и датчиком. Поэтому при измерении температуры кладки в некоторых случаях датчик визируется на донышко так называемого ка­лильного стакана, вмонтированного в кладку.

В качестве вторичных измерительных приборов с термопарами и пиро­метрами используются милливольтметры, автоматические потенциометры или приборы с унифицированным входным сигналом.

Милливольтметры не отличаются высокой точностью измерения и поэтому используются довольно редко, например, при измерении температуры от­ходящих продуктов сгорания, температуры охлаждающей воды и т.п.

При использовании с термопарами ил пирометрами вторичных приборов с унифицированным входом (типа КСУ, КПУ, КВУ или серии А) между первичным преобразователем и вторичным прибором обязательно устанав­ливается промежуточный преобразователь, который преобразует термоЭДС термопары или сигнал пирометра в унифицированный сигнал.

Самое широкое распространение для работы в комплекте с термопара­ми и с некоторыми модификациями пирометров излучения получили автома­тические потенциометры. Принцип действия потенциометра заключается в том, что измеряемая термоЭДС (или напряжение) уравновешивается равным ей по величине, но обратным по знаку напряжением вспомогательного ис­точника тока, которое затем измеряется с большой точностью.

Современные автоматические потенциометры типа КСП, КПП, КВП, ДИСК-250 и другие имеют класс точности 0,25 – 0,5.