Технические измерения и приборы

тельно, и можно считать, что шкалы газовых манометрических термометров являются равномерными.

Пружинные манометры измеряют избыточное давление, поэтому изменение барометрического давления может вызвать изменение их показаний. Увеличение начального давления азота в термосистеме позволяет уменьшить барометрическую погрешность и унифицировать манометрические пружины, при выполнении этого условия колебания барометрического давления практически не будут влиять на показания прибора.

На расширение рабочего вещества в капилляре и манометрической пружине влияет изменение температуры окружающего воздуха, что будет вызывать изменение давления в термосистеме и соответствующее изменение показаний термометра. Для уменьшения этого влияния уменьшают отношение внутреннего объема пружины и капилляра к объему термобаллона, что достигается путем увеличения длины или диаметра термобаллона.

Обычно длина термобаллона газового манометрического термометра не превышает 400 мм, диаметр выбирается из ряда 5, 8, 10, 12, 16, 20, 25 и 30 мм (ГОСТ 8624–80). Длина капилляра – от 0,6 до 60 м.

Для уменьшения температурной погрешности в некоторых измерительных приборах внутри устанавливают термокомпенсаторы.

6.2.2.2. Жичдкостные манометрические термометры

Жидкостные манометрические термометры предназначены для измерения температуры от минус 150 до плюс 600 °C.

Вкачестве рабочего вещества применяют, например, ртуть, пропиловый спирт, метаксилол. Рабочее вещество жидкостных манометрических термометров практически несжимаемо, поэтому изменение объема рабочей жидкости в термобаллоне при изменении температуры вызывает такое увеличение давления в термосистеме, при котором манометрическая пружина изменит свой внутренний объем на величину изменения объема жидкости.

Вжидкостных манометрических термометрах погрешность, вызванная изменением барометрического давления, как правило, отсутствует, так как давление в системе значительно. Погрешность, вызы-

171

ваемая изменением температуры окружающей среды, имеет место и в жидкостных манометрических термометрах, для ее уменьшения применяют те же способы.

В жидкостных манометрических термометрах может иметь место гидростатическая погрешность, возникающая при различных уровнях расположения термобаллона и измерительного прибора. Для снижения возможных гидростатических погрешностей длина капилляра ограничивается до 10 м и устанавливается допускаемое расстояние по высоте между термобаллоном и измерительным прибором.

6.2.2.3. Конденсационные манометрические термометры

Конденсационные манометрические термометры предназначены для измерения температур от минус 50 до плюс 350 °C.

Термобаллон термометра примерно на 3/4 объема заполнен низкокипящей жидкостью, а остальная его часть заполнена насыщенным паром этой жидкости.

Вкачестве рабочей жидкости применяются фреон-22, пропилен, хлористый метил, ацетон и этилбензол. Капилляр и манометрическая пружина заполняются, как правило, другой жидкостью.

Давление в термосистеме конденсационного манометрического термометра будет равно давлению насыщенного пара рабочей жидкости, определяемому, в свою очередь, температурой, при которой находится рабочая жидкость, т.е. температурой измеряемой среды

спомещенным в нее термобаллоном. Зависимость давления насыщенного пара от температуры имеет нелинейный вид, она однозначная, когда измеряемая температура не превышает критическую.

Всвязи с тем, что давление в термосистеме зависит только от измеряемой температуры, на показания термометра не будет оказывать влияние температура окружающей среды. Практически небольшая погрешность за счет механизма передачи внутри манометра будет иметь место, но сам принцип измерения обеспечивает независимость от температуры окружающей среды.

Гидростатическая погрешность вызывается разностью высот расположения термобаллона и измерительного прибора, причем эта по-

172

грешность будет зависеть от показаний прибора: в начале шкалы она будет больше, а в конце – меньше. Длина капилляра для уменьшения этой погрешности не превышает 25 м. Барометрическая погрешность у конденсационных манометрических термометров может иметь место на начальном участке шкалы, когда давление в термосистеме невелико. В остальных случаях влияние давления будет пренебрежимо мало.

Специально изготовленные конденсационные манометрические термометры применяются для измерения сверхнизких температур. Конденсационные термометры, заполненные гелием, используются для измерения температур от 0,8 К.

Манометрические термометры бывают показывающие, сигнализирующие (электроконтактные) и самопишущие. Могут снабжаться передающим преобразователем с выходным унифицированным сигналом.

Достоинства манометрических термометров

–простота устройства;

–возможность дистанционной передачи показаний;

–возможность автоматической записи;

–возможность использования в пожаро- и взрывоопасных помещениях.

Недостатки манометрических термометров:

–трудность ремонта при разгерметизации системы;

–ограниченное расстояние дистанционной передачи показаний;

–во многих случаях большие размеры термобаллона.

Газовые и жидкостные манометрические термометры имеют класс точности 1; 1,5 и 2,5, конденсационные – 1,5; 2,5 и 4.

6.3. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ

Термопара – два проводника из разнородных материалов, соединенных на одном конце и образующих часть устройства, использующего термоэлектрический эффект для измерения температуры

(ГОСТ 6616–94).

Термоэлектрические преобразователи – устройства с метал-

лическими термопарами в качестве термочувствительных элемен-

173

тов, предназначенные для измерения температуры от минус 270 до плюс 2500 °С.

Принцип действия термоэлектрических термометров основан на зависимости термоэлектродвижущей силы термопары от температуры.

Термоэлектродвижущая сила (термоЭДС) возникает в цепи, составленной из двух разнородных проводников при неравенстве температур в местах соединения этих проводников, схема термоэлектрической цепи представлена на рис. 6.5. Термоэлектродвижущая сила зависит от рода проводников и температуры спаев.

Если в цепи (рис. 6.5) температуры мест соединения проводников a и b будут одинаковы и равны t, то и разности потенциалов будут равны по значению, но иметь разные знаки,

eab (t) eba (t) ,

а суммарная термоЭДС и ток в цепи будут равны нулю,

Eab (t,t) eab (t) eab (t) 0 .

так как разности потенциалов для одних и тех же проводников при разных температурах не равны. Результирующая термоЭДС (6.1) зави-

сит для данных проводников a и b от температур t и t0. Чтобы получить однозначную зависимость термоЭДС от измеряемой температуры t, необходимо другую температуру t0 поддерживать постоянной.

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

174

Цепь, составленная из трех различных проводников a, b, c представлена на рис. 6.6, а.

Рис. 6.6. Включение третьего проводника в цепь термопары

ТермоЭДС такой цепи при равенстве температур всех мест соединения

Рассмотрим термоэлектрическую цепь из трех проводников, когда температура мест подсоединения третьего проводника c не равна измеряемой температуре (рис. 6.6, б),

Из (6.2) следует, что

ebc (t0 ) eca (t0 ) eab (t0 ) .

Тогда (6.3) можно записать так:

E(t,t0 ) eab (t) eab (t0 ) .

Таким образом, термоЭДС цепи, составленной из трех разнородных проводников, не отличается от термоЭДС цепи, составлен-

175

ной из двух проводников (6.1), если температура мест подсоединения третьего проводника одинакова.

Из закономерностей включения третьего проводника можно сделать следующие выводы:

1)включение одного, двух или нескольких проводников в цепь термоэлектрического термометра не вызовет искажения термоЭДС, если места подсоединения каждого из этих проводников будут иметь одинаковую температуру;

2)рабочий спай термоэлектрического термометра можно изготовлять путем сварки или пайки, если температура во всех точках спая будет одинакова.

На основании особенностей включения третьего проводника в цепь термоэлектрического термометра могут быть использованы два варианта включения измерительного прибора ИП в цепь термоэлектрического термометра: в разрыв электрода (рис. 6.7, а) и в разрыв спая (рис. 6.7, б).

Рис. 6.7. Включение измерительного прибора

вцепь термоэлектрического термометра

Впервом случае измеряемая температура, т.е. температура рабочего спая, будет t, температура свободных концов, поддерживаемая

постоянной, t0 и температуры мест подсоединения третьего проводника с измерительным прибором t′ и t′′. Чтобы не было искажения разви-

176

ваемой термоЭДС, температуры t′ и t′′ должны быть равны, а температура свободных концов t0 постоянна.

Во втором случае третий проводник с измерительным прибором включается в разрыв свободных концов, поэтому места подсоединения третьего проводника одновременно являются свободными концами термоэлектрического термометра. Эти температуры должны быть одинаковы, как концы третьего проводника, и постоянны, как свободные концы. Если выполнены эти условия, то включение измерительного прибора не искажает термоЭДС термометра.

Для измерения температуры термоэлектрическим термометром необходимо измерить термоЭДС, развиваемую термометром, и температуру свободных концов. Если температура свободных концов термометра при измерении температуры равна 0 °C, то измеряемая температура определяется сразу из градуировочной характеристики (рис. 6.8), устанавливающей зависимость термоЭДС от температуры рабочего спая.

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

E(t,t0 ) E(t0 ,0) E(t,0) .

Такую термоЭДС E (t, 0) развивает термоэлектрический термометр при температуре рабочего спая t и температуре свободных концов 0 °C, т.е. в условиях градуировки.

177

применяют для измерений при малых разностях температур рабочего t и свободного t0 концов. Однако, как правило, температуры в различных точках расположения рабочих и свободных концов не совсем одинаковы вследствие неоднородности температурных полей. Поэтому термобатарея, увеличивая термоЭДС термометра, позволяет уменьшить погрешность измерения термоЭДС, но не повышает существенно точности измерения температуры.

Другой областью применения термобатарей является создание термоэлектрогенераторов. Такие генераторы способны вырабатывать электроэнергию напряжением

1,2÷100 В и силой тока 10÷2000 мА.

Дифференциальная термопара.

В некоторых случаях возникает необходимость измерения разности температур

вдвух точках. Для этого располагают рабочий спай термопары

водной из точек, а свободные концы – в другой точке (рис. 6.10).

Вэтом случае термоЭДС, развиваемая термометром, будет определяться температурами рабочего спая t1 и свободных концов t2,

E(t1,t2 ) e(t1 ) e(t2 ) . (6.4)

Если в интервале температур t1…t2 зависимость термоЭДС от температуры может быть аппроксимирована линейной зависимостью, то уравнение (6.4) примет вид

E(t1,t2 ) k(t1 t2 ) .

Такая линейная аппроксимация

обычно справедлива для любой тер- Рис. 6.10. Дифференциальный мопары при разности температур, не

превышающей 20÷25 °C.

179

термоэлектрический термометр

6.3.1. Характеристики материалов для термоэлектрических преобразователей

Два любых разнородных проводника могут образовать термоэлектрический термометр.

К материалам, используемым для изготовления термоэлектрических термометров, предъявляется целый ряд требований, которые делятся на обязательные и желательные.

Обязательные требования:

–стабильность градуировочной характеристики;

–воспроизводимость – для стандартных термометров. Желательные требования:

–жаростойкость или окалиностойкость;

–жаропрочность, т.е. стойкость к механическим нагрузкам при повышенных температурах;

–химическая стойкость;

–однозначность;

–линейность градуировочной характеристики.

Например, могут быть 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.

Втабл. 6.4 приведены термоЭДС для разных материалов в паре

сплатиной при температуре горячего спая 100 С (373 К) и темпера-

туре холодного спая 0 С (273 К). Знак плюс перед термоЭДС означает, что в холодном спае ток идет по направлению к платиновому электроду.

180