Принцип работы и применение термоэлектрического счетчика

Термометр
сопротивления – это средство измерения
температуры, действие которого основано
на использовании зависимости электрического
сопротивления чувствительного элемента
от температуры.

Термометр
сопротивления состоит из термопреобразователя
сопротивления, вторичного прибора
(уравновешенного, неуравновешенного
моста или логометра), соединительной
линии, прокладываемой изолированными
проводами или кабелями с медными жилами.

Принцип действия дилатометрических и биметаллических термометров основан на различии линейного расширения твердых тел, из которых изготовлены чувствительные элементы этих термометров. Если температурный интервал невелик, то зависимость длины твердого тела от температуры выражается линейным уравнением вида

— длина твердого тела при температуре

— длина того же тела при температуре

— температурный коэффициент линейного расширения твердого тела,

Схема дилатометрического термометра представлена на рис. 60. Термометр состоит из трубки /, изготовленной из металла с большим коэффициентом линейного расширения (меди, латуни, алюминия), и стержня 2 из материала с малым коэффициентом линейного расширения (инвара, фарфора). Один конец трубки крепится неподвижно к корпусу прибора, а к другому жестко прикреплен стержень. Сама трубка помещается в среду, температуру которой измеряют. Изменение температуры среды приводит к изменению длины трубки, а длина стержня остается практически постоянной. Это приводит к перемещению стержня, который с помощью рычага 3 перемещает стрелку по шкале прибора.

Принцип действия биметаллических термометров основан на различии температурных коэффициентов линейного расширения металлических пластин (например, из инвара и латуни, из инвара и стали), сваренных (спаянных, склепанных) между собой по всей плоскости соприкосновения. Нагревание приводит к деформации такой термобиметаллической пластины; последняя изгибается в сторону металла с меньшим коэффициентом линейного расширения (инвара) (рис. 61). Биметаллические термометры используются в качестве чувствительного элемента в температурных реле, а также для компенсации влияния температуры окружающей среды в измерительных приборах. Дилатометрические и биметаллические термометры для непосредственных измерений температуры применяются сравнительно редко.

Рис. 60. Схема дилатометрического термометра.

Рис. 61. Схема биметаллического термометра

1)            термометры с вложенной шкалой, у которых шкальная пластина вставлена внутрь оболочки и жестко скреплена с капилляром (рис. 4.1, а);

2)            термометры палочного типа, у которых шкала нанесена непосредственно на внешнюю поверхность толстостенного капилляра (рис. 4.1, б).

Рис. 4.1. Лабораторные ртутные термометры:

а — с вложенной шкалой:  1 — стеклянный резервуар;  2 — капилляр;  3 — шкальная пластина;  4 — стеклянная оболочка;

б — палочный:  1 — резервуар;  2 — толстостенный капилляр;  3 — шкала на наружной поверхности капилляра

По способу применения термометры рассчитаны либо на частичное погружение в контролируемую среду (неполное погружение), либо на погружение до считываемой температуры (полное погружение). Точные термометры полного погружения снабжаются графиком поправок, которые следует алгебраически суммировать с показаниями термометра. Если термометр полного погружения погружен неполностью, то необходимо вводить поправку на выступающий столбик термометрической жидкости (с учетом знака):

Δt = 0,00016 кl(t – Θ),           (4.1)

где l — длина выступающего столбика в градусах шкалы термометра; t — температура контролируемой среды, отсчитанная по термометру; Θ — средняя температура выступающего столбика, определяемая вспомогательным термометром; к — коэффициент, индивидуальный для каждой термометрической жидкости и сорта используемого стекла.

По назначению жидкостные термометры подразделяются на лабораторные, технические (производственные) и рабочие эталоны (образцовые). Лабораторные используются при научных исследованиях и градуируются при полном погружении. Их нижний предел

измерения лежит внутри диапазона от -30 до 300 °С, верхний — внутри диапазона от 20 до 600 °С. Цена деления находится в пределах от 0,1 до 2 °С. Предельная погрешность зависит от цены деления и диапазона измерения и находится в пределах от 0,3 до 4 °С (она может превышать цену деления).

Технические термометры градуируются при погружении только суженной хвостовой части, которая может быть прямой и угловой (под углом 90 или 120 рис. 4.2). Они могут иметь специальное назначение (медицинские, метеорологические и т.д.) или особые технические характеристики (вибростойкие, электроконтактные).

Рис. 4.2. Технические стеклянные термометры:

а — прямой; б — угловой

Допускаемая погрешность технических термометров зависит от цены деления и измеряемой температуры и может значительно превышать цену деления.

Технические характеристики стеклянных термометров

Образцовые термометры (для точных измерений типа TP) имеют небольшой диапазон измерения, но независимо от пределов измерения имеют отметку О °С. При работе термометр погружается в контролируемую среду на всю длину контролируемого столбика.

Основным производителем стеклянных термометров в РФ является з-д «Термоприбор» (г. Клин). В табл. 4.1 приведены технические характеристики некоторых разновидностей стеклянных термометров.

Термоэлектрические термометры. Принцип действия термопары. Область применения. Основные разновидности термометров, применяемых в авиации. Электрические схемы. Особенности конструкции датчика, указателя, сопряжение с каналом связи. Иллюстрация аддитивной и мультипликативной погрешностей и методы их компенсации.

Термоэлектрические термометры в авиации используются в основном для измерения температуры отдельных частей силовых установок и газовых потоков, выходящих из реактивного сопла двигателя. Принцип действия термоэлектрического термометра основан на использовании термоэлектрического эффекта.

Явление термоэлектричества  заключается в возникновении термоэлектродвижущей силы (термоЭДС) в спае двух проводников из двух разнородных токопроводящих материалов при наличии разности температур места соединения проводников и их свободных концов.

Сплавы: ХК – хромель-капель, ХА – хромель-алюмель, НЖ-СК – никель железо – спец. алюмель, НК-СА – никель кобальт – спец. алюмель.

В обоих спаях возникает одинаковая по величин, но обратная по знаку контактная разность потенциалов, причем суммарная термоЭДС в замкнутой цепи равна нулю. При нагреве одного из спаев до температуры ГС электроны на горячем конце приобретут более высокие энергии и скорости, чем на холодном Возникающие в результате этого потоки электронов и связанные с ними накопления зарядов приводят к тому, что контактная разность потенциалов в нагретом спае, увеличивается, а в холодном остается прежней. В результат возникает термоЭДС, зависящая от разности температур ГС – ХС. В цепи потечет ток. Направление тока зависит только от материала термоэлектродов. Условились называть положительным тот электрод, по направлению к которому течет ток через горячий спай (положительный А).

Для большинства термопар контактные ЭДС возникают при любых температурах и являются их линейными функциями, так что можно принять

Таким образом, измеряя термоЭДС, развиваемую термопарой, можно определить температуру горячего спая. В этом и состоит принцип действия термоэлектрических термометров.

Электродвижущую силу, развиваемую термопарой,можно измерить с помощью гальванометра или компенсационным методом (логометром).

По своему назначению авиационные термоэлектрические термометры можно разделить на три группы.

К первой группе относятся термометры типа ТВГ, ИТГ и ТСТ, служащие для измерения температуры выходящих газов турбореактивных, турбовинтовых авиационных двигателей и турбостартеров.

Ко второй группе относятся термометры типа ТЦТ, измеряющие температуру головок цилиндров поршневых двигателей и других твердых тел.

В третью группу объединяются измерительные системы типа ИТ, ИА, предназначенные для измерения температуры газов, выходящих из реактивного сопла двигателе и турбин низкого и высокого давления.

Температура чувствительного элемента может быть равна температуре окружающей среды или от нее отличаться, это зависит от формы материала и расположения ч.э. Любой ч.э. искажает инфу, и это происходит за счет передачи тепловой энергии через различные устройства. При измерении температуры выходных газов имеющих большие скорости особое значение приобретает переход тепловой энергии в местах торможения газового потока. В этих местах т-ра термоприемника может значительно отличаться от температуры потока. Это вызвано преобразованием кинетической энергии газового потока в потенциальную, что приводит к увеличению температуры. Степень отклонения т-ры ч.э. определяется рядом параметров.

где ТТ – температура торможения газового потока

Т – истинная температура; – скорость газового потока; – коэффициент торможения; – механический эквивалент температуры; – теплоемкость измеряемого потока.

В идеальном случае =0.98, =1 невозможно при ≥300 м/с

Механическим и электрическим датчикам температуры, соприкасающимся со средой, температура которой измеряется, свойственны следующие методические погрешности.

Погрешность из-за потерь от теплоизлучения и теплопроводности. Эта погрешность обусловлена тем, что температура стенок трубопровода отличается от измеряемой температуры газа или жидкости, текущих по этому трубопроводу. В результате наряду с полезным теплообменом между датчиком и стенками трубопровода вследствие лучеиспускания и теплопроводности.

Погрешность от неполного торможения газового потока. В термометрах, предназначенных для измерения истинной температуры Т встречного потока воздуха, возникает погрешность, причиной которой является повышение температуры датчика из-за перехода в тепло кинетической энергии потока воздуха при его торможении датчиком.

Динамическая погрешность. Эта погрешность обусловлена тем, что тепло передается от среды к чувствительному элементу с некоторым запаздыванием вследствие конечной скорости передачи тепла, зависящей от материала, массы и поверхности термопатрона.

Дилатометрические и биметаллические термометры основаны на использовании свойства твердого тела изменять свои линейные размеры при изменении температуры. Если температурный интервал невелик, то зависимость длины твердого тела от температуры может быть выражена линейным уравнением

; а — средний коэффициент линейного расширения твердого тела от 0°С до

Таблица 3-3-1 (см. скан) Средние коэффициенты линейного расширения материалов

Дилатометрические термометры. Термометры этого типа, несмотря на ряд достоинств (простота устройства, высокая чувствительность) для измерения температуры используются сравнительно редко. Они находят применение главным образом в качестве первичных измерительных преобразователей в системах автоматического регулирования температуры.

Рис. 3-3-1. Схема устройства дилатометрического термометра.

На рис. 3-3-1 представлена схема устройства дилатометрического термометра. Он состоит из металлической трубы (чувствительного элемента) 1, внутри которой находится стержень 2. Труба имеет коэффициент линейного расширения больше, чем стержень. Верхний конец трубы закреплен в штуцере 3. В головке 4 находится электроконтактное устройство, состоящее из рычага 5, сочлененного со стержнем и контактами (на схеме показан один контакт), нормально замкнутой контактной группы. Нижняя часть термометра полностью погружается в среду, температура которой измеряется. При повышении температуры среды труба удлиняется больше, чем стержень, вследствие чего стержень перемещается вниз. При перемещении

стержня одновременно приводится в движение рычаг, который при заданной температуре размыкает контакты, а вместе с тем и электрическую цепь регулирующего устройства. Изменение длины трубы, а вместе с тем и перемещение стержня при повышении температуры среды от

— длина трубы при температуре

коэффициенты линейного расширения трубы и стержня,

Из уравнения (3-3-2) видно, что размер рабочего хода стержня

термометра прямо пропорционален значению начальной длины трубы

и диапазону изменения температуры.

Из уравнения (3-3-2) чувствительность дилатометрического термометра

Для получения необходимой чувствительности дилатометрического термометра трубу обычно изготовляют из материала с большим коэффициентом линейного расширения (например, латуни марки

или стали марки

Рассмотренная схема первичного преобразователя (рис. 3-3-1) реализуется в дилатометрических электрических двухпозиционных терморегулирующих устройствах типа

которые изготовляет казанский завод «Теплоконтроль» на различные диапазоны температур в интервале от —30 до

Рассмотрим реле температуры типа

Схема устройства реле температуры

показана на рис. 3-3-2. Чувствительным элементом реле является трубка 1 и пружина контактного устройства 2. Материал трубки по сравнению с материалом пружины имеет больший коэффициент линейного расширения. При нагревании чувствительного элемента реле трубка удлиняется и связанный с ней упор 3 перемещается относительно пружины, что приводит к уменьшению зазора

При достижении заданного значения температуры среды зазор

Узел задатчика температур снабжен шкалой, что облегчает регулировку зазора

Погрешность срабатывания контактов не превышает

выпускает казанский завод «Теплоконтроль».

Биметаллические температурные реле. В качестве чувствительного элемента в биметаллических температурных реле

используется термобиметаллическая пластина 1 (рис. 3-3-3). Эта пластина состоит из двух слоев разнородных металлов, обладающих различными коэффициентами линейного расширения (например, инвар — латунь, инвар 1— сталь), сваренных между собой по всей плоскости соприкосновения.

Рис. 3-3-2. Схема устройства реле температуры РТ-30б.

Рис. 3-3-3. Схема устройства биметаллического реле температуры.

Различие коэффициентов линейного расширения металлических пластин, составляющих термобиметалл, и положено в основу принципа действия биметаллических температурных реле. При нагревании термобиметаллической пластины последняя изгибается в сторону металла (инвара) с меньшим коэффициентом линейного расширения и при заданной температуре замыкает контакты 2. Регулировка зазора между контактами на заданное значение температуры осуществляется винтом 3 в однородной металлической пластине. Эта пластина так же как и термобиметаллическая крепится к изолятору 4. Для защиты пластин от действия среды, температура которой контролируется, они помещены в гильзу 5.

Область применения биметаллических температурных реле лежит в интервале от —60 до 300°С в зависимости от марки используемого биметалла. Термобиметалл, кроме того, находит широкое применение для целей температурной компенсации в различных измерительных приборах.

Классификация механических термометров расширения, их устройство и область применения.

В эту группу входят жидкостные стеклянные термометры, принцип действия которых основан на тепловом расширении рабочего вещества (жидкости, удельный объем которой зависит от температуры), дилатометрические и биметаллические термометры, принцип действия которых основан на различном удлинении двух твердых тел, имеющих разные температурные коэффициенты линейного расширения.

Жидкостные стеклянные термометры. В них в качестве термометрических (рабочих) веществ применяются ртуть Hg, этиловый спирт С2Н5ОН, толуол С6Н5СН3, пентан С5Н2 и др. Наиболее широкое распространение получили ртутные стеклянные термометры, которые изготовляются двух типов: с вложенной внутренней шкалой и палочные.

Ртутный стеклянный термометр с вложенной внутренней шкалой (рис. 3-1) состоит из наружной оболочки 1, в которой расположены термобаллон с ртутью 4, тонкостенный капилляр 3 и пластинка с нанесенной на ней шкалой 2. Термобаллон припаян к наружной оболочке, закрытой герметически. Ртутный стеклянный палочный термометр состоит из термобаллона, соединенного с толстостенным капилляром. Шкала у этого термометра нанесена на наружной поверхности капилляра в виде насечки по стеклу. Ртутными термометрами измеряют температуру от -30 до + 500.°С. Верхний предел определяется температурой размягчения стеклянной оболочки термометра, нижний- температурой затвердевания ртути (_35 °С). Для повышения температуры кипения ртути пространство над ртутью в капиллярной трубке заполняется инертным газом (азотом) под давлением 1,47-1,96 МПа. Для измерения низких температур (от -190 до +80 °С) предназначены стеклянные термометры с органическими заполнителями. Устройство их аналогично ртутным. Ртутные термометры разделяются по назначению на технические, лабораторные и образцовые. Технические термометры обычно бывают с вложенной шкалой и имеют тонкую прямую или изогнутую под углом 90, 120 или 135° нижнюю часть с баллоном на конце. Разновидностью ртутных технических термометров являются электроконтактные термометры с впаянными в капиллярную трубку контактами для разрывания и замыкания столбиком ртути электрической цепи. Они используются в основном для сигнализации о нарушении заданного температурного режима. Для предохранения технических термометров от повреждения их помещают в специальные металлические защитные оправы или гильзы. Зазор между баллоном и стенкой гильзы заполняется машинным маслом при измерении температуры до 150 °С, а при более высокой температуре – медными опилками. Гильзу делают такой Длины, чтобы чувствительная часть термометра находилась на оси трубопровода. На горизонтальном трубопроводе диаметром менее 200 мм термометр устанавливают наклонно навстречу потоку, а при диаметре более 200 мм – перпендикулярно оси трубы. Жидкостные стеклянные термометры расширения благодаря простоте конструкции, дешевизне, достаточно высокой точности измерения используются лабораторной и производственной практике пищевых производств. К недостаткам приборов относятся плохая наглядность шкалы, хрупкость, невозможность передачи показаний на расстояние, запаздывание показаний вследствие большой тепловой инерции.

Рис. 3-1. Общий вид термометров с вложенной шкалой

Дилатометрические термометры. На рис. 3-2 показан трубчатый дилатометрический термометр, представляющий собой закрытую с одного конца трубку /, внутри которой находится стержень 2, прижимаемый к дну трубки рычагом 3, соединенным с пружиной 4. Трубку изготовляют из материала с большим коэффициентом линейного расширения (меди, алюминия, латуни), а стержень – из материала с малым коэффициентом линейного расширения (кварца, инвара). При погружении термометра в измеряемую среду длина трубки изменяется,

а стержня остается практически прежней. Это приводит к перемещению конца стержня относительно трубки; стержень же связан посредством рычага 3 с указательной стрелкой прибора (либо с контактным устройством в системах автоматического регулирования температуры).

Биметаллические термометры. Чувствительный элемент этих приборов выполнен в виде плоской или спиральной пружины, которая состоит из двух спаянных металлических полосок. Полоска 3 (рис. 3-3) изготовлена из материала с большим коэффициентом линейного расширения, а полоска 4 – с незначительным. Образованная из этих полосок биметаллическая пластина меняет степень своего изгиба в зависимости от температуры. Биметаллическая пластина соединена посредством рычага / и тяги 2 со стрелкой, которая указывает температуру на шкале прибора. Кроме показывающих, промышленность выпускает бесшкальные биметаллические термометры, использующиеся в основном в качестве электрических преобразователей или температурных реле для позиционного регулирования и сигнализации. Диапазон измерения температуры биметаллическими термометрами от -150 до +700 °С, погрешность 1 – 1,5 %.

Термоэлектрический термометр (ТТ) – это измерительный преобразователь, чувствительный элемент которого (термопара) расположен в специальной защитной арматуре, обеспечивающий защиту термоэлектродов от механических повреждений и воздействия измеряемой среды.

Для измерения температуры в металлургии наиболее широкое распространение получили термоэлектрические термометры, работающие в интервале температур от -200 до +2500 0C и выше. Данный тип устройств характеризует высокая точность и надежность, возможность использования в системах автоматического контроля и регулирования параметра, в значительной мере определяющего ход технологического процесса в металлургических агрегатах.

Сущность термоэлектрического метода заключается в возникновении ЭДС в проводнике, концы которого имеют различную температуру. Для того, чтобы измерить возникшую ЭДС, ее сравнивают с ЭДС другого проводника, образующего с первым термоэлектрическую пару AB (рис. 3), в цепи которой потечет ток.

Результирующая термо-ЭДС цепи, состоящей из двух разных проводников A и B (однородных по длине), равна

где и – разности потенциалов проводников A и B соответственно при температурах t2 и t1, мВ.

Термо-ЭДС данной пары зависит только от температуры t1 и t2 и не зависит от размеров термоэлектродов (длины, диаметра), величин теплопроводности и удельного электросопротивления.

Для увеличения чувствительности термоэлектрического метода измерения температуры в ряде случаев применяют термобатарею: несколько последовательно включенных термопар, рабочие концы которых находятся при температуре t2, свободные при известной и постоянной температуре t1.

Большой температурный диапазон измерения: от -200 °С до 1800—2200 °С

Точность более 1 °С трудно достижима, необходимо использовать термометры сопротивления или термисторы.

На показания влияет температура свободных концов, на которую необходимо вносить поправку. В современных конструкциях измерителей на основе термопар используется измерение температуры блока холодных спаев с помощью встроенного термистора или полупроводникового сенсора и автоматическое введение поправки к измеренной ТЭДС.

Эффект Пельтье (в момент снятия показаний, необходимо исключить протекание тока через термопару, т.к. ток, протекающий через неё, охлаждает горячий спай и разогревает холодный. Зависимость ТЭДС от температуры существенно не линейна. Это создает трудности при разработке вторичных преобразователей сигнала.

возникновение термоэлектрической неоднородности в результате резких перепадов температур, механических напряжений, коррозии и химических процессов в проводниках приводит к изменению градуировочной характеристики и погрешностям до 5 К.

на большой длине термопарных и удлинительных проводов может возникать эффект «антенны» для существующих электромагнитных полей.

Дилатометрические термометры

Измерение температуры основано на применении термодинамической шкалы, выведенной теоретическим путем больше 100 лет тому назад У. Кельвином (Англия). Эта шкала имеет линейный характер и не зависит от свойств вещества, применяемого как рабочее тело. Со шкалой Кельвина совпадает другая – шкала идеального газа, выведенная также теоретически. Температуру по этой шкале измеряют газовыми термометрами, в которых рабочими веществами являются газы – водород или гелий, свойства которых в определенных условиях близки к свойствам идеального газа.

Градус Кельвина – единица измерения температуры по термодинамической температурной шкале. Экспериментальной реперной точкой для этой шкалы является тройная точка воды (температура равновесия между тремя состояниями воды – льдом, жидкой фазой и водяным паром). Температура тройной точки воды на 0,01К выше температуры таяния льда, для нее установлено значение 273,16К (точно).

Для практических измерений применяют Международную практическую шкалу 1948г. Эта шкала основана на шести постоянных и воспроизводимых температурах фазовых превращений (при нормальном давлении 101 325 Н/м2):

Кипение кислорода -182,97°С

Тройная точка воды +0,01°С

Кипение воды +100°С

Кипение серы +444,6°С

Затвердевание серебра +960,8°С

Затвердевание золота +1063,0°С

Температуры по обеим шкалам (термодинамической и международной практической) выражаются в градусах Цельсия (°С) и градусах Кельвина (К) в зависимости от начала отсчета (положение нуля) на шкале. Соотношение между градусами Кельвина (Т) и Цельсия (t) по любой из этих шкал

t = Т -273,15

T = t + 273,15

ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

Температуру измеряют при помощи термометров. Термометры, предназначенные для измерения температур выше 630°С, называют пирометрами.

По принципу действия термометры могут быть классифицированы на следующие группы:

1. Дилатометрические, принцип действия которых основан на изменении объема рабочего тела (преимущественно жидкости) с изменением температуры.

2. Манометрические, принцип действия которых основан на измерении давления, меняющегося с изменением температуры в замкнутом пространстве, причем рабочим телом в них могут быть газы, пары или жидкости.

3. Электричeские, подразделяющиеся на: а) термометры сопротивления (болометры); б) термоэлектрические пирометры (термопары); в) термисторы (полупроводники).

4. Оптические, подразделяющиеся на: а) радиационные пирометры; б) оптические пирометры.

5. Термохимические. Термохимическим путем температуру измеряют обычно при помощи веществ, изменяющих окраску с изменением температуры.

В химических лабораториях чаще всего применяют дилатометрические термометры. Они представляют собой стеклянные трубки с капилляром внутри и с резервуаром, заполненным, в зависимости от назначения, различными жидкостями.

Для измерения температур в соответствующих интервалах наиболее часто применяют следующие жидкости:

Наиболее распространены ртутные термометры. Кроме того, для измерения температуры в пределах от -58 до +30°С применяют термометры, наполненные ртутноталлиевой амальгамой.

Ртутные термометры. Ртутный термометр представляет собой стеклянный капилляр, оканчивающийся резервуаром для ртути. Существует два вида ртутных термометров: трубчатые со вложенной шкалой и палочковые. У трубчатых термометров капилляр лежит на фарфоровой пластинке и находится в центре полой трубки. На фарфоровой пластинке нанесена шкала в градусах.

Палочковые термометры представляют собой толстостенный капилляр. Градуировка у таких термометров нанесена на наружной стенке капилляра, и штрихи обычно закрашены черной или красной краской.

Эти термометры обладают одним недостатком: краска, нанесенная в углубления делений, стирается, и деления становятся плохо заметными, что затрудняет наблюдение. Такие термометры следует время от времени «чернить». Для этого тонкоизмельченным графитом или обожженной пробкой натирают шкалу термометра. Сажа задерживается в углублениях делений, и они становятся заметными. Чтобы сохранить «чернение» на относительно долгий срок, перед «чернением» термометр полезно протереть тряпочкой, смоченной 5-10%-ным спиртовым раствором канифоли, шеллака или какой-нибудь светлой смолы. Тогда сажа удерживается дольше.

Отсчет градусов проводят от нуля. Вверх и вниз от нуля на шкале через определенные расстояния стоят числа, показывающие градусы: 0, 10, 20, 30 и т.д. Расстояние между крупными делениями разделено на равные части, цена деления ртутного термометра может быть 1, 0,5, 0,2 и 0,1°С.

Химические термометры обычного типа применяют для измерения температуры от -30 до +360°С.

Наиболее распространены химические термометры (рис.265) со шкалой в 100, 150, 200, 250, 300 и 360°С. Кроме того, имеются, так называемые «газонаполненные» термометры со шкалой до 550°С, капилляр которых заполнен газом, не взаимодействующим с ртутью, например, азотом. При нагревании термометра и поднятии столбика ртути в капилляре создается повышенное давление, что влечет повышение температуры кипения ртути (см. гл. 12 «Дистилляция»). Это и позволяет измерять температуру до 550°С, при которой в отсутствие в капилляре инертного газа ртуть превратилась бы в пар. Имеются газонаполненные ртутные термометры специального назначения для измерения температур до +750°С.

Для особо точных работ применяются так называемые образцовые или нормальные термометры, обычно составляющие набор из пяти термометров со следующими интервалами измерения:

№ 1 от -30 до +26°С

№ 2 от -2 до +52°С

№ 3 от +48 до +102°С

№ 4 от +98 до +202°С

№ 5 от +198 до +302°С

Эти термометры имеют деления в 0,2 и 0,1°С.

Так как при измерении температуры в нагретое вещество погружают только нижнюю часть термометра, то стекло и ртуть нагреваются неравномерно, и потому показания термометра несколько отличаются от истинных значений. Чтобы получить точные данные, нужно вводить поправки не выступающий столбик ртути.

Для определения этой поправки применяют вспомогательный термометр, резервуар которого устанавливают на середине выступающего столбика между уровнем, до которого погружен проверяемый термометр, и точкой его показания. Поправку вычисляют по формуле:

С = n · α (t0 – tb)

где С – поправка, выраженная в градусах;

n – число градусов в выступающем столбике;

α – коэффициент расширения стекла;

t0 –температура, отсчитанная по проверяемому термометру;

tb – температура, отсчитанная по вспомогательному термометру.

Для палочковых термометров обычно α = 0,000168, а для трубчатых α = 0,000158.

Отклонения показаний термометра зависят главным образом от качества стекла, из которого он сделан. Часто термометры имеют паспорт, в котором указывается, какую поправку нужно вводить, чтобы получить истинную температуру.

При измерении температуры какой-либо жидкости термометр должен быть погружен в нее так, чтобы он находился на одинаковом расстоянии от стенок сосуда и ни в коем случае не касался их, причем резервуар термометра полностью погружают в жидкость. Термометр держат в жидкости до тех пор, пока не перестанет подниматься или опускаться столбик ртути.

При отсчете показаний термометра по шкале глаз должен находиться на одной линии с уровнем ртути.

После того как температура измерена, термометру дают постепенно остыть, затем его хорошо вытирают, чтобы на нем не оставалось следов того вещества, температуру которого измеряли. (Особо осторожного обращения требуют нормальные термометры.) Если нижняя часть термометра запачкана смолой, жирными и другими веществами, то термометр надо вытереть кусочком ваты, смоченной каким-нибудь органическим растворителем.

Нужно следить, чтобы термометр всегда был чистым.

Чтобы термометр постепенно остыл, его следует оставить висящим на штативе или, вставив в пробку, зажать в лапку на том же штативе. Нельзя класть термометр на твердые предметы (стеклянные пластины, изразцы, металл и т.д.).

Когда термометр больше не нужен, его следует положить в футляр и убрать в специально отведенное место. Очень полезно на дно футляра положить немного ваты, чтобы смягчить удары при укладке термометра.

Если термометр не имеет футляра, его следует хранить в специально отведенном ящике лабораторного стола, причем на дно ящика нужно положить слой ваты или ватина.

В тех случаях, когда термометр монтируют в приборе, его или укрепляют в пробке, или подвешивают за ушко, находящееся в верхней части термометра. При укреплении в пробке отверстие в ней сверлят несколько меньше окружности термометра. Чтобы термометр прошел в отверстие пробки, его следует смазать валезиновым маслом или спиртом или даже водой и вставлять со стороны широкого конца пробки.

После того как термометр вставлен в пробку, выступающую часть его, которая будет находиться в приборе, нужно обязательно обтереть чистым полотенцем или кусочком ваты, смоченным бензином или другим органическим растворителем, чтобы удалить загрязнения.

Вместо ваты для вытирания термометров можно использовать фильтровальную бумагу или бумажные салфетки.

Термометры, применяемые для специальных целей, имеют несколько отличное устройство. Например, термометр, служащий для калориметрических исследований способом смешения, рассчитан для измерения температуры от 15 до 25°С; на его шкале внизу нанесено нулевое деление, затем идет расширение, потом шкала от 15 до 25°С, потом второе расширение и, наконец, деления от 95 до 105°С.

Метастатические термометры Бекмана (рис.266) применяют исключительно для наблюдения за изменением температуры в течение опыта, причем в узком пределе температур (2-5°С).

Термометры Бекмана имеют значительную длину, и их шкала разделена всего на 5-6°С с делениями в 0,01°С, что позволяет проводить измерения с точностью до 0,002°С. В верхней части термометра находится резервуар с запасом ртути. В нижней части, как обычно, также имеется резервуар с ртутью.

Оба резервуара соединены капилляром. Такое устройство дает возможность изменять количество ртути в рабочем (нижнем) резервуаре. Вследствие этого показания термометра при одной и той же температуре могут быть различны, и наоборот, одно и то же показание термометра может соответствовать разным температурам. Из сказанного ясно, что, изменяя количество ртути в рабочем резервуаре, можно «настроить» термометр так, чтобы его показания отвечали требуемому интервалу температур. Если температура понижается в процессе эксперимента, то термометр «настраивают» так, чтобы в начале опыта мениск ртути находился в верхней части капилляра. При измерении повышения температуры мениск ртути устанавливают в нижней части капилляра.

Для «настройки» термометра его переворачивают верхней, расширенной, частью вниз и, слегка постукивая пальцем по нему, загоняют каплю ртути в расширение верхней изогнутой трубочки. Затем переворачивают термометр и согревают рукой нижний резервуар с ртутью, держа его в кулаке, или же опускают в слегка подогретую воду. Столбик ртути, поднимающийся из резервуара, должен соединиться с ртутью, находящейся в верхней части термометра. После этого нижний резервуар нагревают до температуры, на 2-3°С превышающей ту, которую нужно будет измерить (наблюдения при этом ведут при помощи вспомогательного термометра). Как только эта температура будет достигнута, легкими щелчками разрывают столбик ртути в месте соединения капилляра с верхним расширением. Иногда требуется более сильное постукивание или даже встряхивание термометра.

Некоторые трудности представляет измерение температуры твердых тел (не порошков). При пользовании обычными термометрами в твердом теле высверливают такое отверстие или углубление, чтобы в него можно было погрузить резервуар термометра и часть трубки.

Для измерения температуры поверхности твердых тел имеются специальные ртутные или жидкостные термометры, имеющие резервуар (для ртути или иной жидкости) особой формы, чаще всего спиралевидный. Следует заметить, что измерение температуры поверхности твердых тел при помощи описываемых термометров мало надежно, и в этих случаях лучше пользоваться термисторами (полупроводниками), позволяющими измерять температуру малых поверхностей с достаточной точностью.

Максимальные термометры применяют для специальных работ. Шкала их обычно имеет интервал в 20-25°С. При охлаждении термометра уровень столбика ртути в нем показывает максимальную температуру, до которой данное вещество было нагрето.

Чтобы привести максимальный термометр к исходному положению, его встряхивают. Каждый такой термометр должен иметь паспорт, в котором указывается, насколько опускается уровень столбика ртути при охлаждении термометра.

Из таких специальных термометров, предназначаемых для измерения максимальной и минимальной температуры, часто используется термометр Сикса (рис.267), применяемый для измерения температуры в помещениях. Особенностью его является то, что он заполнен двумя жидкими веществами: ртутью и бензолом, причем ртуть находится только в нижних частях ветвей дугообразно изогнутого капилляра b, а бензол заполняет баллон a и обе верхние части капилляра b. Оба колена капилляра b лежат на одинаковых параллельных шкалах. В каналы капилляра, в правом и левом коленах над ртутью, вложены отрезки стальной проволоки длиной около 10 мм и диаметром немного меньше, чем диаметр капилляра. Эти отрезки можно передвигать в капилляре вверх и вниз при помощи магнита. Перед началом наблюдения эти столбики устанавливают так, чтобы они соприкасались с ртутью в обоих коленах капилляра. После этого термометр помещают в пространство, температура которого изучается, например, в какое-либо помещение. Если температура повышается, объем бензола увеличивается, и из баллона а бензол переходит в левую ветвь капилляра b. Уровень ртутного столбика при этом опускается, и столбик ртути отрывается от проволочки. В правой ветви капилляра ртутный столбик соответственно повышается и вытесняет вверх проволочку. Передвижение ртути и проволоки вверх в этом колене продолжается до тех пор, пока повышается температура в промеряемом помещении. Если температура начнет понижаться, объем бензола в баллоне а сокращается, и вследствие этого ртутный столбик поднимается в левом колене и опускается в правом. Отрезок проволоки в правом колене останется на месте и своим нижним концом будет показывать наивысшую (максимальную) температуру, какая была в помещении.

Ртутный столбик в левом колене вследствие уменьшения температуры ниже той, при которой началось наблюдение, поднимет отрезок стальной проволоки, и нижий конец его укажет самую низкую (минимальную) температуру, которая была в помещении. Таким образом, при помощи этого термометра можно определить крайние пределы изменения температуры за время наблюдения.

Технические термометры. Кроме химических термометров, в лабораториях иногда применяют технические термометры. Они предназначены для вмонтирования в какие-либо аппараты (сушильные шкафы, реакционные баки, котлы, автоклавы и др.). По размерам они значительно толще и длиннее химических термометров (в особенности та часть термометра, которая должна находиться в аппарате). В некоторых случаях применяют технические термометры с изогнутым под прямым углом концом. Такие термометры монтируют не в крышке аппарата, а в стенках его.

Шкала технических термометров рассчитана на разные температуры в пределах от 0 до 550°С; деления шкалы и цифры более крупные, чем у химических термометров, что облегчает наблюдение.

При неправильном пользовании термометры могут быть легко выведены из строя. Кроме смещения точки 0°С, наиболее часто наблюдается разрыв ртутного столбика. Это может произойти по ряду причин, чаще же всего – из-за быстрого охлаждения термометра, нагретого перед этим до высокой температуры. Иногда такой термометр можно исправить, если снова осторожно нагреть его до максимальной для него температуры. Когда разорвавшийся столбик снова станет целым, термометр осторожно охлаждают. Например, если термометр рассчитан на 100°С, то лучше всего опускать его в кипящую воду и оставить в воде до тех пор, пока она не остынет.

Большим недостатком стеклянных термометров является то, что их показания со временем изменяются. Это происходит потому, что стекло, из которого изготовлен термометр, сохраняет остаточные напряжения, образующиеся при охлаждении термометра после изготовления его. В результате действия остаточных напряжений в течение длительного времени у термометров изменяется объем резервуара и капилляра, что приводит к смещению нулевой точки. В целях уменьшения этих деформаций все термометры, имеющие предельные температуры выше 200°С, перед градуировкой подвергают особой термической обработке, так называемому искусственному старению, выравнивающему остаточные напряжения и делающему их дальнейшее проявление менее заметным. Но все же искусственное старение не делает термометры совершенно стабильными, т.е. с неизменяющимися показаниями шкалы. Ввиду этого все термометры, как подвергавшиеся искусственному старению, так и не подвергавшиеся, выпускаются заводами только с годичной гарантией. После истечения этого срока термометры обязательно следует проверять.

Вообще нужно взять себе за правило работать только с проверенными термометрами. Точность термометров особенно важна при проведении исследовательских работ.

Жидкостные термометры для низких температур. При помощи ртутных термометров можно измерять температуру не ниже –30°С, так как при –38,9°С ртуть замерзает.

Для измерения температуры ниже –30°С удобнее пользоваться термометрами, заполненными органическими жидкостями, имеющими низкую температуру перехода в твердое состояние. Выше уже говорилось об органических жидкостях, применяемых для заполнения подобных термометров.

Это бесцветные жидкости, поэтому при заполнении термометров эти жидкости приходится подкрашивать. Для подкрашивания применяют органические красители красного или синего цвета.

Жидкостные термометры очень чувствительны к изменению температуры.

При заполнении термометра пентаном нижний предел измерения температуры может доходить до –180°С. Имеются жидкостные термометры, позволяющие измерять температуру до –200°С.

Нижний предел измеряемой температуры у таких термометров ограничивается свойством жидкостей переходить в твердое состояние.

В некоторых случаях более удобно применять термометры с ртутноталлиевой амальгамой, чем термометры, заполненные толуолом или пентаном.

Проверка термометров. Термометр является довольно чувствительным прибором. В зависимости от условий, в которых термометр работал, находится постоянство его показаний. Если, например, термометр нагревать продолжительное время при высокой температуре, его нулевая точка смещается вверх, причем это смещение может достичь 20°С. Периодическое нагревание и охлаждение, т.е. совершенно нормальные условия работы термометра, обычно приводят к некоторому смещению точки 0°С. Это явление носит название термического последействия, или депрессии и происходит оттого, что расширившееся при нагревании стекло, остывая, не сразу приобретает свой первоначальный постоянный объем. Учитывая это обстоятельство, термометр время от времени следует проверять. Проверка термометра заключается в определении правильности его показаний при 0 и 100°С.

Для создания температуры, равной 0°С, рекомендуется применять тающий лед. Нужно помнить, что если взять грязный, содержащий примеси лед, то температура его плавления будет ниже 0°С. Если же при таянии льда скапливается вода и появляются пузырьки воздуха, то возможно образование зон перегрева, температура которых будет выше 0°С. Поэтому всегда следует брать лед, полученный из свежеперегнанной дистиллированной воды, по возможности освобожденной от воздуха (лучше брать для замораживания прокипяченную перед этим воду или же выдержанную в течение некоторого времени в вакуум-эксикаторе).

Замораживать воду лучше всего в фарфоровой чашке, пользуясь охлаждающими смесями. После замерзания воды чашку немного нагревают, опустив ее на полминуты в теплую воду, затем лед вынимают и разбивают чистым ножом или молотком.

Разбитый на куски (величиной с горошину) чистый лед кладут в стакан и обливают дистиллированной водой; воды берут столько, чтобы вытеснить воздух и получить густую кашицу; в нее опускают резервуар термометра так, чтобы он не касался стенок, и отмечают положение мениска ртути. При точном определении необходимо следить, чтобы резервуар и ртутный столбик были целиком погружены в лед. Если в течение нескольких минут показания термометра не изменяются, эту температуру записывают.

После определения 0°С находят вторую точку (100°С) – это температура кипения чистой воды при нормальном давлении (760 мм рт. ст.). Для получения этой температуры нужно брать также свежеперегнанную воду (см. гл. 12 «Дистилляция»).

Для определения температуры кипения воды применяют металлический сосуд (рис.268), верхняя часть которого имеет двойные стенки. В верху его имеется отверстие, через которое наливают воду и вставляют термометр (на пробке). Нижняя, более широкая часть служит для нагревания воды.

Термометр помещают в сосуд так, чтобы он: 1) не касался воды, а был бы лишь в парах ее; 2) из прибора выступал настолько, чтобы точка 95°С находилась на уровне пробки.

Наличие двойных стенок предохраняет пар от охлаждения. Через несколько минут после начала кипения воды в приборе устанавливается постоянная температура, равная температуре кипения воды при данном атмосферном давлении, тогда отмечают то показание термометра, на котором остановился уровень ртутного столбика столбика. Одновременно записывают показание барометра и по таблицам находят температуру кипения воды при данном давлении.

Таким образом проверяют правильность показаний термометра или вводят поправки на его показания, которые учитывают при дальнейших работах.

Для проверки других (кроме 0 и 100°С) точек термометра берут те или иные химически чистые соединения, температура кипения которых хорошо известна. Сам метод работы такой же, как и описанный выше. При этом необходимо отметить барометрическое давление и ввести соответствующую поправку на температуру кипения данного вещества.

Наиболее проста проверка показаний термометра по паспортизованному нормальному термометру. Наборы таких нормальных термометров должны быть в каждой лаборатории.

При сличении показаний проверяемого термометра с показаниями нормального их помещают рядом в одинаковых условиях. При проверке 0°С – в лед, а при проверке 100°С – в пары кипящей воды. Для проверки промежуточных температур, и особенно температур выше 100°С, термометры можно поместить в вазелиновое масло или другое вещество с высокой температурой кипения. Для пользования проверенным термометром должен быть составлен паспорт, подобный приведенному ниже:

По воде По вазелиновому маслу

термометра, °С 0 +10 +20 +100 +150

термометра, °С +1 +12,5 +22,0 +105,0 +149,0

Нужно запомнить правила обращения с термометрами.

1. С термометрами, особенно специальными, следует обращаться очень осторожно; нельзя нагревать их выше максимальной температуры, указанной на шкале.

2. После работы нужно дать термометру постепенно остыть до комнатной температуры, очистить его и, положив в футляр, убрать на место.

3. Время от времени необходимо проверять правильность показаний термометра.

Термопреобразователи сопротивления

Измерение
температуры по электрическому
сопротивлению
металлов основывается на зависимости
их сопротивления от
температуры. Для изготовления проволочных
термопреобразователей
применяют медь, платину, никель, железо.
Лучшим
материалом, несмотря на дороговизну,
является платина.
Она инертна и длительное время сохраняет
свои свойства
в широком диапазоне
температур от —260 до 1100°С.

Никель
устойчив против окисления на воздухе
до 400°С, однако применяется для измерения
температур лишь до + 180°С из-за
значительной нелинейности характеристики
при более высоких температурах.

Термопреобразователи
изготавливаются из металла одинаковой
чистоты, что проверяется измерением
соотношения R0
и R100
(сопротивлений при температуре 0 и 100 °С
соответственно). При поверке
термопреобразователей сопротивлений
достаточно измерить эти два сопротивления,
чтобы быть уверенным
в правильности их градуировки (номинальной
статической
характеристики)
на всем рабочем диапазоне температур.

Определение
температуры по сопротивлению производится
с помощью градуировочных таблиц
(приложение 5).

Поверка
термопреобразователей сопротивления,
находящихся в эксплуатации, производится
в соответствии с ГОСТ 8.461-82 (СТ СЭВ
1058-78). Порядок поверки следующий:

• внешний
  осмотр, выявление видимых повреждений
  защитной арматуры и чувствительного
  элемента, удаленного из защитной
  арматуры;
• измерение
  сопротивления изоляции при помощи
  мегометра на 500 В;
• поверка
  отношения
  путем сравнения показаний поверяемого
  термопреобразователя с контрольным.

Терморезисторы
изготавливаются из материалов с
высоким температурным
коэффициентом сопротивления (ТКС),
который обычно на порядки выше, чем
ТКС металлов и
металлических сплавов.

Резистивный
элемент терморезистора изготавливают
методом порошковой
металлургии из оксидов, галогенидов, халькогенидовнекоторых
металлов, в различном конструктивном
исполнении, например в виде стержней,
трубок, дисков, шайб, бусинок, тонких
пластинок, и размерами от 1—10 микрометров до
нескольких сантиметров.

Терморезисторы
способны работать в различных климатических
условиях и при значительных механических
нагрузках. Однако, с течением времени,
при жёстких условиях его эксплуатации,
например, термоциклировании, происходит
изменение его исходных термоэлектрических
характеристик, таких как:

Конструкция
и разновидности терморезисторов

По
типу зависимости сопротивления от
температуры различают терморезисторы
с отрицательным (термисторы или
NTC-термисторы, от слов «Negative temperature
coefficient») и положительным (позисторы или
PTC-термисторы, от слов «Positive temperature
coefficient»)температурным
коэффициентом сопротивления (или
ТКС). Для позисторов — с ростом
температуры растёт их сопротивление;
для термисторов — увеличении
температуры приводит к падению их
сопротивления.

Терморезисторы
с ТКС (термисторы) изготовляют из смеси
поликристаллических оксидов переходных
металлов (например, MnO, СoOx, NiO и CuO),
полупроводников типа AIII BV,
стеклообразных, легированных полупроводников
(Ge и Si),
и других материалов. Представляют
интерес терморезисторы изготовленные
из твёрдых растворов на основе BaTiO3,
имеющие положительный ТКС.

Условно
терморезисторы классифицируют как
низкотемпературные (предназначенные
для работы при температуpax ниже 170 К),
среднетемпературные (от 170 до 510 К) и
высокотемпературные (выше 570 К). Выпускаются
терморезисторы, предназначенные для
работы при температурах от 900 до 1300 К.

Также
существуют комбинированные приборы,
такие как терморезисторы с косвенным
нагревом. В этих приборах в одном корпусе
совмещены терморезистор сгальванически
изолированным нагревательным
элементом, задающего температуру
терморезистора, и, соответственно, его
сопротивление. Такие приборы могут
использоваться в качестве переменного
резистора, управляемого напряжением,
приложенным к нагревательному элементу
такого терморезистора.

Режим
работы терморезисторов и их применение

Режим
работы терморезисторов зависит от
выбранной рабочей точки на вольт-амперной
характеристики (или
ВАХ) такого прибора. В свою очередь ВАХ
зависит от приложенной к прибору
температуры и конструктивных особенностей
терморезистора.

Терморезисторы
с рабочей точкой выставленной на линейном
участке ВАХ используются для контроля
за изменением температуры и компенсации
параметров (электрическое
напряжение или электрический
ток) электрических
цепей, возникших в следствии изменения
температуры. Терморезисторы с рабочей
точкой выставленной на нисходящем
участке ВАХ (с «отрицательным
сопротивлением») применяются в
качестве пусковых
реле, реле времени, в
системах измерения и контроля мощности
электро­магнит­ного излучения
насверхвысоких
частотах (или
СВЧ), системах системы теплового контроля
и пожарной сигнализации, в установках
регулирования расхода жидких и сыпучих
сред.

Наиболее
широко используются среднетемпературные
терморезисторы (с температурным ТКС от
−2,4 до −8,4 %/К), работающие в широком
диапазоне сопротивлений (от 1 до 106 Ом).

Так
же существуют терморезисторы с небольшим
положительным температурным
коэффициентом сопротивления (или
ТКС) (от 0,5 до 0,7 %/К) выполненные на
основе кремния,
сопротивление которых изменяется по
закону близкому к линейному. Такие
терморезисторы находят применение в
системах охлаждения и температурной
стабилизации режимов работы транзисторов в
различныхрадиоэлектронных
системах.