4.1.2. Биметаллические (дилатометрические) термометры
Принцип работы биметаллических (дилатометрических) термометров основан на преобразовании измеряемой температуры в разность абсолютных значений удлинений двух стержней, изготовленных из материалов с разными термическими коэффициентами линейного расширения. Их применяют в устройствах сигнализации и регулирования температуры (рис. 6, 7).
Рис. 6. Биметаллические термометры.
Биметаллические термометры используют деформацию биметаллической ленты при изменении температуры. Эта лента согнута в виде плоской или винтовой спирали, спаянной из двух пластин из металлов с разными коэффициентами температурного расширения, один конец которой закреплен неподвижно, а другой - на оси стрелки. При нагреве обе пластины удлиняются и пружина изгибается в сторону металла с меньшим коэффициентом температурного расширения. Угол поворота стрелки равен углу закручивания спирали, который пропорционален изменению температуры. Класс точности приборов 1 %, 1,5 %.
Рис. 7. Устройство биметаллического термометра
и дилатометрического реле температуры.
Стержневой термометр-дилатометр состоит из трубки и стержня, изготовленных из разных материалов. Стержень расположен внутри трубки. Один конец его жестко прикреплен к дну трубки. Трубка и стержень удлиняются при нагревании на различную длину. Изменение соотношения их длины характеризует температуру нагрева. Стержневые термометры применяют главным образом в качестве сигнализаторов и регуляторов температуры, а также в системах пневмоавтоматики. При заданных значениях температуры они замыкают или размыкают электрические контакты, включаемые в электрические цепи.
4.1.3. Термоэлектрические термометры
Принцип действия термоэлектрических термометров основан на свойстве металлов и сплавов создавать термоэлектродвижущую силу (термо-ЭДС) при нагревании спая двух разных проводников, образующих термопару или первичный прибор термометра (рис. 8-10, 11а).
Рис. 8. Принципиальная схема термопары и ее использования для замеров.
Рис. 9. Схема термопары.
Рис. 10. Устройство технической термопары и ее характеристики.
Рис. 11. Принципы действия термопары (а) и термометра сопротивления (б).
Термоэлектрический термометр состоит из двух спаянных и изолированных по длине термоэлектродов, защитного чехла и головки с зажимами для подключения соединительных проводов. Вторичным прибором, измеряющим создаваемую термопарой термо-ЭДС, служит электроизмерительный прибор. В качестве измерителя термо-ЭДС применяются показывающие и самопишущие магнитоэлектрические милливольтметры и потенциометры. Зная зависимость термо-ЭДС от температуры спая, можно проградуировать шкалу электрического прибора в градусах Цельсия и определять температуру вещества. Термо-ЭДС зависит от материала проводников, составляющих термоэлектрический термометр, а также от температуры холодного спая.
Различные образцы термопар и примеры их монтажа и применения есть на стенде «Приборы для измерения давления и температуры».
Термопары являются первичными преобразователями температуры в термо-ЭДС - сигнал, удобный для дистанционной передачи. Поэтому в измерительную цепь за термопарой может быть сразу включен измерительный прибор. Для измерения термо-ЭДС термопары обычно применяют автоматические потенциометры.
В автоматических потенциометрах, работающих в комплекте с термопарами, медный резистор включается в одно плечо моста. Показания такого потенциометра изменяются лишь при изменении температуры горячего спая термопары. Это объясняется тем, что изменение термо-ЭДС термопары под воздействием температуры холодных спаев автоматически компенсируется дополнительным изменением выходного напряжения моста из-за изменения сопротивления резистора.
В промышленности применяют разные термопары, термоэлектроды которых изготовлены как из чистых металлов (платина), так и из сплавов хрома и никеля (хромель), меди и никеля (копель), алюминия и никеля (алюмель), платины и родия (платинородий), вольфрама и рения (вольфрамрений). Материалы термоэлектродов определяют предельное значение измеряемой температуры. Наиболее распространенные термоэлектродные пары образуют стандартные термопары: хромель-копель (предельная температура 600 °С), хромель-алюмель (предельная температура 1000°С), платинородий-платина (предельная температура 1600 °С) и вольфрамрений с 5% рения - вольфрамрений с 20 % рения (предельная температура 2200 °С). Промышленные термопары отличаются высокой стабильностью и воспроизводимостью градуировочных характеристик, что позволяет заменять их без какой-либо переналадки остальных элементов измерительной цепи.
Термопары, как и термометры сопротивления, устанавливают в защитных чехлах (рис. 12), на которых указан тип термопары. Для высокотемпературных термопар применяют защитные чехлы из теплостойких материалов: фарфора, оксида алюминия, карбида кремния.
Рис. 12. Термопары и термометры сопротивления.