Электрические термометры

Термометры сопротивления (болометры). Сопротивление проводников из чистых металлов измеряется очень точно и достаточно точно воспроизводится. Это свойство металлов используют для измерения температуры термометром сопротивления.

Для изготовления такого термометра чаще всего применяют платиновую проволоку, так как платину легко можно получить химически чистой, а следовательно, результаты будут воспроизводимы. Платина не изменяется на воздухе даже при сильном нагревании; изменение сопротивления ее происходит по сравнительно простому закону; с ее помощью можно измерить температуру в достаточно широких пределах (от –200 до +900°С).

Для измерения температуры наибольшее распространение получили термометры сопротивления из платины для измерения температур от –190 до +600°С, из меди от –55 до +260°С, из свинца – для низких температур, а из фосфористой бронзы — для сверхнизких температур.

В СССР промышленностью выпускаются термометры сопро-тивления со стандартными граду-ировками: платиновые Гр 11а, 12а и 13а для температуры от –120 до +500°С и медные Гр 2а для температуры от –50 до +150°С.

Термометр сопротивления (рис.270) представляет собой спираль 1 из платиновой или другой проволоки, намотанную на слюдяной крест 2 или на кварцевую витую палочку или трубочку. К концам спирали припаивают подводящие ток провода 3 из платины, серебра или золота; концы проводов прикреплены к клеммам головки 4 термометра. Весь термометр помещен в кварцевую трубку 5, которая защищает спираль и подводящие провода от действия вредных веществ и механических повреждений.

В зависимости от назначения термометра величины сопротивления и длина спирали бывают различными. Например, термометр для технических целей на 100 Ом имеет длину 6 см, диаметр 3-4 мм; он заключен в металлическую оболочку. Термометр для лабораторных целей на 25-50 Ом обычно бывает длиной 2-4 см, диаметром 3 мм и чаще всего без оболочки.

К клеммам, расположенным на головке термометра, подсоединяют провода измерительной установки. Измерить сопротивление можно различными способами, но чаще всего для этого применяют измерительную систему с мостиком Уитстона (рис.271).

Напряжение, приложенное к термометру сопротивления R₁, не должно превышать 5-6 в. Силу тока в цепи регулируют с помощью реостата 2, включенного последовательно с источником тока 1. Мостик Уитстона, включенный в цепь, имеет две ветви. Первую ветвь образуют сопротивления R₁ и R₂, вторую – сопротивления R₃ и R₄. Обе ветви соединены цепью с гальванометром 3.

Если

R₁ / R₂ = R₄ / R₃ ,

то в этой цепи ток не идет и стрелка гальванометра по­казывает нуль. Помещая сопротивление R₁ (термометр) в среду с температурой 0° С и изменяя постоянные сопротивления R₂ и R₁, добиваются, чтобы гальванометр также показывал нуль. Затем, помещая термометр туда, где нужно измерить температуру (печь, термостат, реакционную смесь и пр.), изменяют величину сопротивления R₄ так, чтобы стрелка гальванометра показывала нуль, и вычисляют сопротивление R₁ термометра при данной температуре по формуле:

R₁ = R₂ · R₄ / R₃

Зная R₁, находят измеряемую температуру по зара­нее составленной таблице или графику для данного тер­мометра сопротивления и данного мостика Уитстона.

Удобнее градуировать непосредственно гальванометр по заранее известным температурам (по температурам плавления чистых металлов и солей) и по показаниям гальванометра, пользуясь составленным для него графиком или таблицами (Пилипчук Б. И., Вспомогательные таблицы для платиновых термометров сопротивления, Труды ВНИИ метрологии, № 25, 111, 1955), сразу определять температуру.

Термоэлектрические термометры (термопары). Термоэлектрические термометры, которые называют также пирометрами, представляют собой два различных проводника, спаянных или сваренных одними концами (так называемый спай), а другими концами соединенных с гальванометром. Термопару обычно помещают в фарфоровый или кварцевый карман (трубку, запаянную с одного конца).

Защитные трубки и карманы делают из различных материалов: выбор материала зависит от измеряемой температуры и от условий опыта. Так, для измерения температуры водяного пара, нагретого до 500°С, защитные трубки делают из стали, покрытой медью, или из меди. При измерении температуры дымовых газов, а также в керамических, электрических, криптоловых и других печах применяют для температур до 1500-1600°С трубки из неглазурованного фарфора или шамота, для температур около 2000°С – из двуокиси циркония.

М еста скрепления проводников пары с проводниками цепи называются холодными спаями (рис.272). При измерении температуры их помещают в термостат с постоянной температурой, лучше всего с температурой, равной 0°С, т.е. в чистый лед, получаемый замораживанием дважды перегнанной воды. Горячий спай вводят в испы-туемый прибор или среду.

При нагревании горячего спая возникает электродвижу-щая сила, направленная от одно-го из взятых металлов к друго-му. Величина термоэлектродви-жущей силы обычно пропор-циональна разности температур между горячим и холодным спаями. Это свойство и поло-жено и основу намерения темпе-ратуры с помощью термопар.

Схема монтажа термопары показана на рис.273.

Каждая термопара в цепи с данным гальванометром должна быть предварительно отградуирована, и к ней должен быть составлен паспорт в виде таблички или графика (кривой, нанесенной на миллиметровую бумагу). Для этого оба спая (холодный и горячий) опускают в термостат с температурой 0°С и устанавливают гальванометр на нуль. Затем горячим спаем измеряют заранее известную температуру плавления чистых металлов и солей. Отмечают соответствие показаний гальванометра данной температуре и строят кривую «милливольты – градусы». При пользовании термопарой не следует менять гальванометр, так как иначе придется градуировать термопару снова. Время от времени нужно сверять показания гальванометра, измеряя известные температуры.

При правильном пользовании термопарой можно добиться измерения температуры с точностью до сотых долей градуса.

Для изготовления термопар чаще всего применяют чистые металлы и различные сплавы.

В СССР обычно применяют термопары, характеристика которых приведена в табл. 8.

Таблица 8. – Наиболее употребительные термопары (первым указан положительный термоэлемент)

Термопары	Температурный интервал применения, °С	Максимальная температура (кратковременное нагревание), °С
Платинородий (10%) – платина	От +250 до 1460	1600
хромель – алюмель	От –200 до 1200	1350
Медь – константан	От –185 до 500	600
Железо – константан	От –200 до 750	—
Серебро – константан	От 0 до 600	—
Нихром – константан	До 600	—

Кроме перечисленных, имеется много других термопар. Например, иридий-иридиевородиевую термопару можно применять для измерения температуры до 2000°С.

Термопары пригодны и для измерения низких температур. Так, указанную в таблице медь-константановую термопару можно применять для измерения температуры до –190°С, термопару золото-серебро применяют для низких температур от –200 до –255°С.

Д ифференциальные термопары. Для измерения разности температур применяют дифференциальные термопары (рис.274), состоящие из двух ветвей (из одного и того же металла) 1 и 2 и проводника 3 (из другого металла или сплава). Спаи А и В помещают в места, разность температур которых нужно изме-рить; стрелка гальванометра 4 отклоняется от нуля. Показания гальванометра пропор-циональны разности температуры спаев. Нуль гальванометра устанавливают в усло-виях, когда разность температуры спаев А и В равна нулю, т.е. t_А = t_B.

Термисторы. Термисторами называют полупроводниковые приборы, обладающие свойством изменять электропроводность при изменении температуры. Поэтому их называют также термически чувствительными сопротивлениями, особенностью которых является то, что при повышении температуры сопротивление термистора резко уменьшается, т.е. также резко увеличивается его электропроводность. Это и позволяет использовать термисторы для очень точного измерения температуры в очень большом интервале.

Д ля измерения температуры применяют термисторы самой разнообразной формы, В зависимости от того, в каких условиях должно проводиться измерение. Их делают в виде таблеток, трубок, стержней, пластин и т.д. На рис.275 показан внешний вид некоторых термисторов. Так, термистор, обозначенный буквой а, представляет собой таблетку из полупроводниковой массы. Диаметр таблетки – около 4 мм, толщина – около 1 мм. Такую таблетку помещают в металлическую чашечку с плоскими краями. Сверху чашечку прикрывают слюдяной пластинкой и края чашечки завальцовывают, плотно зажимая таблетку между дном чашечки и слюдяной пластинкой. Выводы термистора делают из мягкого многожильного медного провода. Один вывод припаян к бортику чашечки, а второй пропущен через отверстие в центре слюдяной пластинки и прикреплен к самой таблетке.

Термистор б имеет форму цилиндрического стержня. Полупроводниковая масса состоит, например, из окиси меди и окиси марганца. В зависимости от условий применения размеры стержней и полупроводниковая масса могут быть различны. Обычно длина стержня бывает в пределах 10-25 мм, а диаметр – от 2,5 до 7 мм. На торцах стержней делают контактные выводы.

Для предохранения термистора от действия влаги его покрывают влагонепроницаемой пленкой лака или же помещают в герметизированный корпус из металла или стекла и металла.

П ри помощи термисторов можно измерить температуру поверхности с очень небольшой площадью. На рис.276 показана схема включения термистора в электрическую цепь для измерения температуры. Изменяя величину питающего напряжения и добавочного сопротивления, можно получить желаемую точ-ность измерения. Если необхо-димо провести особо точное измерение, следует применить мостовую схему (рис.277).

При помощи термисторов можно измерять температуру на большом расстоянии от испы-туемого нагретого объекта.

Термисторы могут быть использованы также для очень точного регулирования температуры. В таком случае в мостовую схему можно подключить терморегулятор.