3.4.2. Измерение сопротивления термометров
Мостовые схемы наиболее распространены. Применяются ручные и автоматические четырех плечие мосты.
Уравновешенный мост по схеме рис. 3.3.а используется для измерения сопротивления в тех случаях, когда термометр расположен недалеко от измерительного прибора, а температура окружающей среды более-менее постоянна. Термометр Rt вместе с соединительными линиями 2Rл образует одно плечо моста, а известные резисторы R1, R2, R3 – остальные. Уравновешивание моста осуществляется переменным резистором R3. Индикатором равновесия моста является гальванометр G. В состоянии равновесия справедливо соотношение:
Основным источником погрешности является влияние температуры окружающей среды на Rл.
Более высокой точности можно добиться, используя трехпроводную схему подключения термометра по рис. 3.3.б. Здесь сопротивления проводов Rл включены в различные плечи моста, поэтому их изменение взаимно компенсируется.
Рисунок 3.3 Схемы уравновешенного моста для измерения сопротивления
Автоматический уравновешенный мост используется в системах автоматической регистрации и регулирования. В этих схемах напряжение разбаланса моста, усиленное электронным усилителем, поступает на реверсивный двигатель, который приводит в движение ползунок реохорда плеча уравновешивания, приводя схему каждый раз в уравновешенное состояние. Вал двигателя связан с кареткой регистрирующего устройства и стрелкой указателя температуры.
Логометрические схемы также могут использоваться для измерения сопротивления. Применяются магнитоэлектрические логометры, содержащие две подвижные рамки, закрепляемые на оси измерительного механизма под углом друг к другу. Угол поворота оси зависит от соотношения токов в подвижных рамках. В цепь одной рамки включен пассивный резистору R1, а в цепь другой – пассивный резистор R2 и термометр Rt – см. рис. 3.4.
Здесь Rp – сопротивление рамок логометра.
Учитывая, что Rp, R1 и R2 практически неизменны, то = F(Rt). Напряжение Е практически на величину не влияет.
Промышленность выпускает показывающие и самопишущие логометры классов точности от 0,2 до 2,0. Некоторые из них имеют регулирующие контакты.
Рисунок 3.4 Использование магнитоэлектрического логометра для измерения сопротивления
3.5. Термоэлектрические термометры
3.5.1. Принцип действия и конструкция
В металлургии наиболее широко используется измерение температуры с помощью термоэлектрических термометров. Они работают в диапазоне от минус 200 до плюс 25000С и даже выше. Принцип их работы заключается в возникновении термо э.д.с. на свободных концах двух разнородных термоэлектродов А, В, соединенных между собой противоположными концами, образующими так называемый горячий (или рабочий) спай рис 3.5. Строго говоря, величина э.д.с. зависит от разности температур горячего 1 и холодных 2, 3 концов, но температуру холодных концов 2, 3 стараются поддерживать на постоянном уровне.
Рисунок 3.5 Термоэлектрический термометр
Для увеличения чувствительности можно применить термобатарею, состоящую из нескольких термопар, включенных последовательно.
Основной характеристикой термопары являются удельная термо э.д.с. Обычно она находится в пределах 0,01 – 0,06 мВ/0С. Более чувствительные пары термоэлектродов более дорогие. Выбор термопары определяется предельным уровнем температуры, стойкостью к агрессивным средам. Основные пары термоэлектродов: платина - платинородий (70-90% Рt +10-30% Rh), хромель (89% Ni + 9,8% Сr + 1% Fе + 0,2% Мn) – копель (55% Сu + 45% Ni), хромель – алюмель (94% Ni + 2% Al + 2,5% Mn + 1% Si + 0,5% Fе), вольфрам – молибден, медь – константан (42% Ni + 58% Cu). При этом наибольшая чувствительность у пары хромель – копель, а наименьшая – у пары вольфрам – молибден. Наиболее точным является платино - платинородиевый термометр, но он обладает не высокой чувствительностью и дорог. Термопары платиновой группы используют только для измерения очень высоких температур (например, жидкой стали), но и здесь наблюдается тенденция их замены менее точными, но более дешевыми термопарами типа ТВР, ТВМ на базе вольфрама.
В ряде случаев при высокотемпературных исследованиях используются пары следующих тугоплавких материалов: карбид титана, графит, борид циркония, сицилид вольфрама.
Технические термоэлектрические термометры состоят из термопары, размещенной в защитной арматуре, содержащей штуцер и головку с контактами для подключения кабеля. Термоэлектроды по всей длине изолированы друг от друга и от арматуры керамическими бусами. Термометры выпускаются двух типов: погружаемые и поверхностные. У последних рабочий спай непосредственно контактирует с контролируемой поверхностью. Длина погружаемой части может изменяться от 40 до 2000 мм.
В условиях длительной эксплуатации при высоких температурах и в агрессивных средах точность измерения падает вследствие ряда причин: загрязнение электродов термопар примесями из защитной арматуры, изоляторов и окружающей атмосферы, испарение материала электродов, взаимная диффузия материала электродов через спай.
Для исключения влияния температуры свободных концов термопар можно использовать два способа: стабилизация температуры свободных (холодных) концов с помощью термостата или удаление свободных концов из зоны непосредственного измерения с помощью компенсационных проводов. Чаще используется второй способ, в связи с чем выпускаются различные удлиняющие провода из материалов, обладающих одинаковой по величине, но противоположной по знаку температурной характеристикой по сравнению с термопарой. При увеличении термо э.д.с. термопары из-за уменьшения температуры холодных концов на такую же величину уменьшится термо э.д.с., развиваемая компенсирующими проводами. Для каждой пары материалов термопары требуются стоя пара материалов компенсирующих проводов.