Манометрические термометры. Термоэлектрические термометры. Измерение температуры с помощью термометров сопротивления.

Наиболее распространенные промышленные средства измерений температуры:

---манометрические термометры: газовые, жидкостные, конденсационные;

---термоэлектрические преобразователи;

---металлические преобразователи сопротивления;

---полупроводниковые преобразователи сопротивления;

---пирометры излучения: квазимонохраматические спектрального соотношения, радиационные.

Принцип действия манометрических термометров основан на зависимости давления рабочего (термометрического) вещества в замкнутом объеме (термосистеме) от температуры.

Манометрические термометры могут быть использованы для измерения температур от -150 до 600°С. Диапазон измерения определяется наполнителем термосистемы. Термометры со специальными наполнителями (расплавленными металлами) пригодны для измерения температуры от 100 до 1000°С.

Газовые манометрические манометры. Они предназначены для измерения температуры от -150 до +600°С. Термометрическим веществом служат гелий или азот. Принцип работы этих термометров основан на использовании закона Гей-Люссака.

Жидкостные манометрические термометры. В качестве термометрического вещества используется ртуть под давлением 10-15МПа при комнатной температуре или толуол, ксилол, пропиловый спирт, силиконовые жидкости и т.п. при давлении 0, 5-5МПа.

При ртутном заполнении диапазон измерений лежит в пределах – 30-600 ^o C, а для органических жидкостей 150-300 ^o C.

Измерение температуры с помощью термометров сопротивления.

Измерение температуры термопреобразователями сопротивления основано, на свойстве металлов и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление с изменением температуры.

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

Уравновешенные мосты подразделяют на неавтоматические и автоматические. В них используется нулевой метод измерения.

Неуравновешенные мосты не требуют уравновешивания тока, проходящего в его измерительной диагонали. Неуравновешенные мосты относительно редко используются для измерения температуры. Они широко применяются в различных газоанализаторах, где в качестве чувствительного элемента используются нагреваемые электрическим током металлические или чаще полупроводниковые резисторы.

Термоэлектрический метод измерений температуры. Основные свойства идеальной термоэлектрической цепи. Прямой и компенсационный методы измерения термо-эдс. Измерение температуры с помощью термометров сопротивления.

Измерение температуры термоэлектрическими термометрами – термоэлектрическими преобразователями (ТЭП) основано на использовании термоэлектрического эффекта открытого в 1821г. Зеебеком.

Термоэлектрический преобразователь представляет собой цепь, состоящую измерение двух или нескольких соединенных между собой разнородных проводников.

Рассмотрим термоэлектрическую цепь, состоящую из двух проводников (термоэлектродов) А и В. Места соединений темоэлектродов 1 и 2 называют спаями. Зеебеком было установлено, что если температуры спаев t и t_о не равны, то в замкнутой цепи будет протекать электрический ток. Направление этого тока, называемого термотоком, зависит от соотношения температур спаев, т.е. если t> t_o, то ток протекает в одном направлении, а при t< t_o – в другом.

Необходимо принять ряд условий. Например, если t_o‹t, тогда ток в этом спае направлен от термоэлектрода А, к термоэлектроду В, т.е. А – термоположительный, а В - термоотрицательный. Обозначим контактную термоЭДС в спае между термоэлектродами А и В при температуре t как е_АВ(t). Указанная запись означает, что если термоэлектрод А положительный и он в очередности написания идет первым, то е_АВ(t) имеет положительный знак. При принятом условии запись е_ВА(t) будет означать, что эта термоЭДС учтена с отрицательным знаком. В соответствии с законом Вольта, в замкнутой цепи из двух разнородных проводников при равенстве температур спаев термоток этой цепи равен нулю.

Исходя из этого, можно заключить, что если спаи 1 и 2 имеют одну и ту же температуру. например t_О, то контактные термоЭДС в каждом спае равны между собой и действуют навстречу и потому результирующая термоЭДС такого контура равна нулю, т.е.

,

или с учетом того, что ,

. (3.1)

Рассматривая (3.1) с формальной точки зрения, можно принять следующее правило: результирующая термоЭДС контура равна арифметической сумме контактных термоЭДС, в символе которых очередность записи термоэлектродов соответствует направлению обхода контура (например, против движения часовой стрелки).

Для замкнутой цепи, результирующая термоЭДС составит

,

или

. (3.2)

Уравнение (3.2) называют основным уравнением ТЭП. Из него следует, что возникающая в контуре термоЭДС Е_АВ(tt_o) зависит от разности функций температур и . Если сделать , то , и

. (3.3)

При известной зависимости (3.3) путем измерения термоЭДС в контуре ТЭП может быть найдена температура t в объекте измерения, если температура . Спай, погружаемый в объект измерения температуры. Называют рабочим спаем или рабочим концом, а спай вне объекта называют свободным спаем (концом).

Следует отметить, что в явном виде зависимость (3.3) для конкретно используемых термоэлектродных материалов пока не может быть получена аналитически с достаточной точностью.

Для измерения термоЭДС ТЭП в его цепь включают измерительный прибор по одной из двух схем (рис.3.1а, б). Обе схемы включения прибора можно представить как включение в цепь по крайней мере еще одного, третьего проводника С. При включении измерительного прибора в разрыв спая свободного конца (рис.3.1 а) ТЭП имеет один рабочий спай 1 и два свободных спая 2 и 3.

При включении по схеме рис. 3.1 б (в разрыв одного из термоэлектродов) ТЭП имеет четыре спая: рабочий 1, свободный 2 и два нейтральных 3 и 4 при постоянной температуре t₁. Покажем, что, несмотря на внешнее различие схем, термоЭДС, развиваемые в обоих случаях, одинаковы, если температуры концов третьего проводника С будут равны.

Для цепи (рис.3.1, б) получим

Е_АВС(tt₁t_o) = e_AB(t) + e_BC(t₁) + e_CB(t₁) + e_BA(t₀).

Рис.3.1. Схемы включения измерительного прибора в цепь термоэлектрического преобразователя

запишем

, (3.4)

т.е. уравнение (3.4) также совпадает с (3.2).

Таким образом, следствием совпадения уравнений (3.4) с (3.2) является то, что термоЭДС ТЭП не изменяется от введения в его цепь третьего проводника при равенстве температур его концов.

Отметим, что при неравенстве температур спаев 2 и 3 (рис.3.1, б) в контуре образуется паразитная термоЭДС.

Поправка на температуру свободных концов термоэлектрического преобразователя. Если температура свободных концов отлична от нуля, то показание измерительного прибора при температуре рабочих концов будет соответствовать генерируемой в этом случае термоЭДС, равной

. (3.5)

Рис.3.2. Графическое введение поправки на температуру свободных концов термоэлектрического преобразователя.

нулю. Если это условие сохраняется в процессе измерения, то

.

Вычтем из последнего выражение (3.5), тогда

,

или (3.6)

Здесь представляет собой поправку, определяемую из градуированных данных используемого ТЭП по измеренному значению температуры его свободных концов. Найденное значение прибавляют к измеренному прибором значению , если , и отнимают от него при .

По значению полученного результата из градуировочной таблицы или графика находят искомую температуру (рис.3.2).

Основная литература: [1-13] (стр. 56-288)

Дополнительная литература: [14-18] (стр. 10-15, стр. 35-55)