9. Дилатометрические и биметаллические термопреобразователи. Принцип действия, достоинства и недостатки. Дилатометрические термометры

Дилатометрические термометры - средство измерения температуры, использующее преобразование ее изменения в разность удлинений двух твердых тел, обусловленную различием их т емпературных коэффициентов линейного расширения. Принцип действия дилатометрических датчиков температуры поясняется схемой, приведенной на рис. 2.4.

Рис. 2.4. Схема измерения дилато­метрическим термометром

Изменение длины твердого тела от температуры может быть аппрок­симировано линейной зависимостью:

l_K=l_H(l+at), (2.6)

где а - средний коэффициент ли­нейного расширения в сравни­тельно нешироком диапазоне тем­ператур; l_к l_н - длины термометров при конечной и начальной темпера­турах.

Если в начале рабочего диа­пазона t_H длина обоих твердых тел одинакова и равна l_н, то возникающая в конце диапазона t_K разность уд­линений тел Δl будет равна Δl = l_н (a₁ - a₂) (t_K-t_H). Δl тем больше, чем больше (a₁ - a₂).

Диапазон измерения термометров от -30 до 1000°С, погрешность 1,5 - 2,5%. Они обладают высокой надежностью и используются в релей­ных схемах.

Биметаллические термометры

Разновидностью дилатометрических термометров являются датчики температуры с биметаллическими пластинами. Используя тот же принцип работы - тепловое расширение тел при нагревании - в биметаллических датчиках измеряется не удлинение, а изгиб пластины, состоящей из двух металлов с разными температур­ными коэффициентами расшире­ния. Схема такого датчика, полу­чившего широкое применение в различных системах регулирования температуры, приведена на рис. 2.5.

Рис. 2.5. Схема измерения биметаллическим термометром

Достоинства:

• Простота изготовление

• Легкость измерения

Недостатки

• Небольшой класс точности 1,5; 2,0; 2,5.

10. Включение измерительного прибора в цепь тэп. Термобатарея и дифференциальный тэп.

Включение измерительного прибора в цепь термопары

Для измерения термо-ЭДС, развиваемой термопарой, в цепь вклю­чают измерительный прибор по одной из двух схем (рис. 2.8). Обе схемы можно представить как включение в цепь третьего про­водника С, т.к. схема измерительного прибора подразумевает замыкание цепи термопары посредством последовательного включения третьего про­водника (как правило, медного) из которого выполнена измерительная рамка прибора, подгоночные сопротивления и т.д. В этом случае в местах присоединения проводника С образуются дополнительные спаи, разви­вающие собственные термо-ЭДС, которые должны вносить погрешность в суммарную термо-ЭДС термопары.

Рис. 2.8. Подключение измерительного прибора в цепь термопары.

а) цепь с третьим проводником С, включенным в спай термопары:

б) цепь с третьим проводником С, включенным в электрод термопары

При первом соединении (рис. 2.8, а) - один спай рабочий (точка 1), два свободных (точки 2 и 3). При втором включении (рис. 2.8, б) - один спай рабочий (точка 1), один свободный (точка 2) и два нейтральных при постоянной температуре t\.

Покажем, что термо-ЭДС, развиваемая в обоих случаях, одинакова.

(2.14)

Уравнение (2.14) совпадает с основным уравнением ТЭП (2.13), сле­довательно, термо-ЭДС ТЭП не изменится от введения в цепь третьего проводника при равенстве температур его концов. Этот вывод может быть отнесен к любом}' числу проводников и измерительных приборов. Чаще всего измерительный прибор присоединяют к термопаре по схеме, приведенной на рис (2,8а)

Д ля решения отдельных задач из­мерений температуры применяются различные способы соединения термо­электрических термометров. Наиболее распространенные из них — термоба­тарея и дифференциальная термопара. Для увеличения коэффициента преоб­разования термоэлектрического термо­метра применяют последовательное включение нескольких термопар (тер­мобатарею) (рис. 5.5). При этом тер­мо-ЭДС, развиваемая термопарами, cуммируется, т.е. термо-ЭДС термо­батареи, состоящей из п термопар, в п раз больше термо-ЭДС отдельной термопары. Такое включение применя­ют для измерений при малых разнос­тях температур рабочего t и свободного tо концов. Однако, как правило, температуры в различных точках рас­положения рабочих и свободных кон­цов не совсем одинаковы вследствие неоднородности температурных полей. Поэтому термобатарея, увеличивая термо-ЭДС термометра, позволяет уменьшить погрешность измерения термо-ЭДС, но не повышает сущест­венно точности измерения темпера­туры.

В некоторых случаях возникает не­обходимость измерения разности тем­ператур в двух точках. Для этого рас­полагают рабочий спай термопары в одной из точек, а свободные концы — в другой точке (рис. 5.6). В этом слу­чае термо-ЭДС, развиваемая термо­метром, будет определяться темпера­турами рабочего спая t1 и свободных концов t₂:

E(t₁,t₂) = e(t₁) – e(t₂)

Если в интервале температур t₁ - t₂ зависимость термо-ЭДС от температуры может быть аппроксимирована линейной зависимостью, то уравнение проймет вид

E(t₁,t₂) = k(t₁ – t₂)

Такая линейная аппроксимация обычно справедлива для любой термопары при разности температур, не превышающей 20 - 25°С