Термоэлектрические термометры

Применение термоэлектрических термометров для измерения темпера­туры основано на зависимости термо­электродвижущей силы термопары от температуры. Термоэлектродвижущая сила (термо-ЭДС) возникает в цепи, составленной из двух разнородных проводников при неравенстве темпера­тур в местах соединения этих провод­ников, если в цепи температуры мест соединения проводников а и b бу­дут одинаковы и равны t рисунок 1.88, то и разности потенциалов будут равны по зна­чению, но иметь разные знаки, а суммарная термо-ЭДС и ток в цепи будут равны нулю.

Рисунок 1.88 – Термоэлектрическая цепь

Если t ≠ t_o, то суммарная термо-ЭДС не равна нулю, так как разности потенциалов для од­них и тех же проводников при разных температурах не равны. Результирующая термо-ЭДС зависит для данных проводников а и b от температур t и t_o. Чтобы по­лучить однозначную зависимость тер­мо-ЭДС от измеряемой температуры t, необходимо другую температуру t₀ поддерживать постоянной.

Для измерения термо-ЭДС в цепь термоэлектрического термометра вклю­чают измерительный прибор, причем его включение вводит в цепь по край­ней мере еще один, третий проводник.

Для измерения температуры термо­электри­ческим термометром необходимо измерить термо-ЭДС, развиваемую термометром, и температуру свобод­ных концов. Если температура свобод­ных концов термометра при измерении температуры равна 0°С, то измеряе­мая температура определяется сразу из градуировочной характеристики (таблиц, графиков) рисунок 1.89, устанавливающей зависимость термо-ЭДС от температуры рабочего спая.

Рисунок 1.89 – Введение поправки на температуру свободных концов термоэлестрического термометра

Градуировочные характеристики термоэлект­рических термометров определены, как правило, при температуре свобод­ных концов, равной 0 °С. Если темпе­ратура свободных концов на практике отличается от 0°С, но остается посто­янной, то для определения температу­ры рабочего конца по градуировочной характеристике необходимо знать не только термо-ЭДС, развиваемую тер­мометром, но и температуру свобод­ных концов t₀. Чтобы ввести поправ­ку на температуру свободных концов t_o, если t_o, необходимо к термо-ЭДС, развиваемой термоэлектричес­ким термометром E(t, t_o), прибавить E(t_o, 0), чтобы получить значение тер­мо-ЭДС E(t, 0):

E(t, t_o)+ E(t_o, 0)=E(t, 0),

Такую термо-ЭДС E(t, 0) развивает термоэлектрический термометр при температуре рабочего спая t и темпе­ратуре свободных концов 0°С, т. е. при условиях градуировки.

Если в процессе измерения темпе­ратура свободных концов примет ка­кое-то новое значение t_o, то термо-ЭДС, развиваемая термометром, бу­дет E(t, t'₀) рисунок 1.89 и величина по­правки на температуру свободных концов будет E(t'_o, 0), а термо-ЭДС, соответствующая условиям градуи­ровки,

E(t, t’_o)+ E(t’_o, 0)=E(t, 0).

Значение поправки на температуру свободных концов термоэлектрическо­го термометра зависит от градуиро­вочной характеристики термометра, определяемой материалами проводни­ков, из которых изготовлен термоэлек­трический термометр. Независимо от способа введения поправки (расчетно­го или автоматического) методика введения поправки остается неизмен­ной: определяется расчетным путем или автоматически в схеме получается значение E(t_o, 0), которое затем сум­мируется с термо-ЭДС термопары. Суммарная термо-ЭДС E(t, 0) соот­ветствует градуировочному значению.

Устройство термоэлектрических термометров и применяемые материалы. Два любых разнородных проводни­ка могут образовать термоэлектриче­ский термометр. К материалам, использу­емым для изготовления термоэлектри­ческих термометров, предъявляется целый ряд требований жаростой­кость, жаропрочность, химическая стойкость, воспроизводимость, ста­бильность, однозначность и линейность градуировочной характеристики и ряд других. К числу обязательных требований относятся стабильность градуировочной харак­теристики и (для стандартных термо­метров) воспроизводимость в необхо­димых количествах материалов, обла­дающих вполне определенными термо­электрическими свойствами. Все остальные требования являются жела­тельными. Например, могут быть очень жаропрочные материалы, вос­производимые с однозначной и линей­ной градуировочной характеристикой и высоким коэффициентом преобразо­вания. Но если градуировочная харак­теристика этих материалов нестабиль­на, то измерять таким термометром нельзя. С другой стороны, материалы, имеющие низкий коэффициент преоб­разования, нелинейную градуировочную характеристику, но имеющие ста­бильную характеристику, используют­ся для термоэлектрических термомет­ров.

Стандартные термоэлектрические термометры, ха­рактеристики которых приведены в таблице 1.2.

Таблица 1.2 – Стандартные термоэлектрические термометры

Медь-копелевые и медь-медноникелевые типа Т (близкие к медь-константановым) термоэлектрические термо­метры применяются главным образом для измерения низких температур в промышленности и лабораторной практике. Применение этих термомет­ров для температур менее 200°С осложняется существенным уменьше­нием коэффициента преобразования с уменьшением температуры. При тем­пературах свыше 400 °С начинается интенсивное окисление меди, что огра­ничивает применение термометров этих типов.

Железо-медноникелевые, близкие к железо-константановым термоэлектри­ческим термометры типа J применяют­ся в широком диапазоне температур от минус 200 до плюс 700 °С, а кратковремен­но — и до 900 °С. Они имеют доста­точно большой коэффициент преобра­зования (около 55 мкВ/°С). Верхний предел измерения ограничен окислени­ем железа и медноникелевого сплава.

Хромель-копелевые термоэлектри­ческие термометры обладают наиболь­шим коэффициентом преобразования из всех стандартных термометров (около 70—90 мкВ/°С). Для термо­метров с термоэлектродами диамет­ром менее 1 мм верхний предел дли­тельного применения менее 600 °С и составляет, например, для термоэлек­тродов диаметром 0, 2—0, 3 мм только 400 °С. Верхний предел применения определяется стабильностью характе­ристик копелевого термоэлектрода

Никельхром-медноникелевые (тип Е), близкие к хромель-константано-вым, и никелъхром-никельалюминие-вые (тип К) термометры, ранее назы­ваемые хромель-алюмелевыми, приме­няются для измерения температуры различных сред в широком интервале температур. Термоэлектрод из никель алюминиевой проволоки менее устойчив к окислению, чем никельхромовый Верхние пределы применения зависят от диаметра термоэлектродов. Для термоэлектродов диаметром 3—5 мм верхний предел длительного примене­ния никельхром - никельалюминиевых термометров составляет 1000°С, а для диаметра 0, 2—0, 3 мм — не более 600°С. Для никельхром-медноникелевой термопары он не превышает 700 °С.

Все вышеперечисленные термоэлект­рические термометры из неблагород­ных материалов хорошо стоят в инерт­ной и восстановительной атмосфере, в окислительной атмосфере их срок службы ограничен Кроме того, термо­электрические термометры хромель-копелевые и никельхром-никельалю-миниевые (хромель-алюмелевые) от­личаются достаточно высокой стабиль­ностью градуировочной характеристи­ки при высокой интенсивности ионизи­рующих излучений

Платинородий-платиновые термо­электрические термометры (тип S) мо­гут длительно работать в интервале температур от 0 до 1300 °С, а кратко­временно — до 1600 °С. Положитель­ный термоэлектрод представляет собой сплав, состоящий на 10 процентов из ро­дия и на 90 процентов из платины, отрицатель­ный термоэлектрод состоит из чистой платины. Эти термометры сохраняют стабильность градуировочной харак­теристики в окислительной и нейтраль­ной средах. В восстановительной атмо­сфере платинородий-платиновые тер­мометры работать не могут, так как происходит существенное изменение термо-ЭДС термометра. Так же не­благоприятно воздействует на плати­нородий-платиновые термометры кон­такт с углеродом, парами металлов, соединениями углерода и кремния, а также рядом других материалов, за­грязняющих термоэлектроды. Следует отметить, что градуировочная харак­теристика типа S не совпадает с гра­дуировочной характеристикой ПП, применявшейся ранее.

Платинородий-платинородиевые тер­моэлектрические термометры (тип В) применяются длительно в интервале температур от 300 до 1600°С, кратко­временно—до 1800°С Положитель­ный электрод — сплав из 30 процентов родия и 70 процентов платины, а отрицательный — из 6 процентов родия и 94 процентов платины. Эти термометры отличаются большей ста­бильностью градуировочной характе­ристики, чем платинородий-платино­вые, но они также плохо работает в восстановительной среде. В связи с тем, что термо-ЭДС, развиваемая платино-родийплатинородиевыми термометра­ми в интервале температур 0—100°С, незначительна, при технических изме­рениях их можно применять без термостатирования свободных концов. Например, если температура свобод­ных концов 70 °С и поправка на нее не вводится, то при температуре рабо­чего спая 1600°С это вызовет погреш­ность около 2, 1°С. Градуировочная характеристика типа В также не совпадает с градуировочной характерис­тикой ПР.

Вольфрамрений - вольфрамрениевые термоэлектрические термометры пред­назначены для длительного измерения температур от 0 до 2200 °С и кратко­временно до 2500 °С в вакууме, в нейтральной и восстановительной сре­дах. Положительный термоэлектрод — сплав из 95 процентов вольфрама и 5 процентов рения, отрицательный—сплав из 80 процентов вольф­рама и 20 процентов рения..

Термопреобразователи сопротивления.

Измерение температуры термопреобразователями сопротивления основано на свойстве металлов и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление с изменением температуры. Если априорно известна зависимость между электрическим сопротив­лением R_t термопреобразователя сопротивления и его температу­рой t R_t=f(t) - градуировочная характеристика, то, изме­рив R_t, можно определить значение температуры среды, в кото­рую он погружен.

Термопреобразователи позволяют надежно измерять темпера­туру в пределах от минус 260 до плюс 1100°С. К металлическим провод­никам термопреобразователей сопротивления предъявляется ряд требований, основными из которых являются стабильность градуировочной характеристики, а также ее воспроизводимость, обеспе­чивающая взаимозаменяемость изготовляемых термопреобразова­телей сопротивления. К числу не основных, но желательных тре­бований относятся: линейность функции R_t=f(t), по возможности высокое значение температурного коэффициента электрического сопротивления, большое удельное сопротивление и невысокая стоимость материала.

Исследованиями установлено, что чем чище металл, тем в большей степени он отвечает указанным основным требованиям и тем больше значения отношения электрического сопротивления металла при 100 и при 0°С соответст­венно R₁₀₀ /R₀ и α. Поэтому степень чистоты металла, а также наличие в нем механических напряжений, принято характеризовать значениями R₁₀₀ /R₀ и α.. При снятии механических напряжений в металле пу­тем его отжига указанные характеристики достигают своих пре­дельных значений для данного металла.

Для изготов­ления стандартизованных термопреобразователей сопротивления в настоящее время применяют платину и медь.

Платина является наилучшим материалом для термопреобразователей сопротивления, так как легко получается в чистом виде, обладает хорошей воспроизводимостью, химически инертна в окислительной среде при высоких температурах, имеет доста­точно большой температурный коэффициент сопротивления, рав­ный 3, 94·10^-3 °С^-1, и высокое удельное сопротивление 0, 1·10^-6 Ом·м. Платиновые преобразователи сопротивления используются для измерения температуры от минус 260 до плюс 1100°С, при этом для диапазона температур от минус 260 до плюс 750°С используются плати­новые проволоки диаметром 0, 05—0, 1 мм, а для измерения тем­ператур до 1100°С, в силу распыления платины при этих темпе­ратурах, диаметр проволоки составляет около 0, 5 мм. Значение отношения R₁₀₀/R₀ для применяемых платиновых проволок состав­ляет 1, 3850 - 1, 3910.

Платиновые термопреобразователи сопротивления являются наи­более точными первичными преобразователями в диапазоне тем­ператур, где они могут быть использованы. Платиновые термо­преобразователи сопротивления используются в качестве рабочих, образцовых и эталонных термометров. С помощью послед­них осуществляется воспроизведение международной шкалы тем­ператур в диапазоне от - 182, 97 до 630, 5 °С.

Недостатком платины является нелинейность функции R_t=f(t) и, кроме того, платина — очень дорогой металл.

Медь — один из недорогостоящих металлов, легко получаемых в чистом виде. Медные термопреобразователи сопротивлений предназначены для измерения температуры в диапазоне от минус 50 до плюс 200°С. При более высоких температурах медь активно окис­ляется и потому не используется. Диаметр медной проволоки обычно 0, 1 мм, а значение отношения R₁₀₀/R₀ составляет 1, 4260 - 1, 4280. В широком диапазоне температур зависимость сопротив­ления от температуры линейна и имеет вид R_t=R₀(1+at), где a=4, 26·10^-3 °С^-1.

Полупроводниковые термопреобразователи сопротивления при­меняются для измерения температуры от минус100 до плюс 300 °С. В каче­стве материалов для них используются различные полупроводни­ковые вещества — оксиды магния, кобальта, марганца, титана, меди, кристаллы германия. Основным преимуществом полупроводников является их боль­шой отрицательный температурный коэффициент сопротивления. При повышении температуры полупроводников на один градус их сопротивление уменьшается на 3—5 процента, что делает их очень чувст­вительным к изменению температуры. Кроме того, они обладают значительным удельным сопротивлением и потому даже при очень малых размерах обладают значительным номинальным электри­ческим сопротивлением (от нескольких до сотен килоОм), что позволяет не учитывать сопротивления соединительных проводов и элементов измерительной схемы. Следствием же малых разме­ров полупроводниковых термопреобразователей сопротивления является возможность безынерционного измерения температуры.

Недостатком полупроводниковых материалов является их зна­чительная нелинейность и, главное, невоспроизводимость градуировочной характеристики. Поэтому полупроводниковые термопре­образователи сопротивления даже одного и того же типа имеют индивидуальные градуировки и не взаимозаменяемы.

Исключением являются германиевые термопреобразователи сопротивления, которые при технических измерениях используют­ся для температур 30—90 К с погрешностью плюс минус (0, 05—0, 1) К, а также специальный германиевый термопреобразователь, предназ­наченный в качестве эталонного термометра для воспроизведения температурной шкалы в интервале 4, 2—13, 81 К с погрешностью не более плюс минус 0, 001 К.

Чувствительные элементы из полупроводников выполняются в виде цилиндров, шайб, бусинок малых размеров.

В силу указанных недостатков полупроводниковые термопреобразователи сопротивления редко используются для измерения температуры. Они находят широкое применение в системах тем­пературной сигнализации, вследствие присущего им релейного эффекта — скачкообразного изменения сопротивления при дости­жении определенной температуры. Кроме того, полупроводнико­вые термопреобразователи сопротивления используются в каче­стве чувствительных элементов в различных газоаналитических автоматических приборах.

В практике технологических 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, проводимых обыч­но в лабораторных условиях, получили применение потенциомет­ры постоянного тока.