U10sUZIsoo

Таблица 3.2

ленно меняющейся температуре среды или при подходе к установившемуся показанию стабильной температуры среды. В результате при одной и той же измеряемой температуре возникает разница в показаниях термометра для случая возрастающего и снижающегося столбика ртути в капилляре. Эта разница может достигать нескольких десятых кельвина и индивидуальна для каждого термометра.

Причина такого «мертвого хода» заключается в следующем. Сила поверхностного натяжения мениска ртути тем больше, чем меньше диаметр столбика ртути, вызывающего силу трения краев мениска о несмачиваемые стенки капилляра. По мере повышения температуры ртути в термометре и ее расширения сила трения покоя приводит к давлению ртути на стенки резервуара, вызывая их упругую деформацию. Когда сила упругости стенок начинает превышать силу трения покоя, столбик ртути приходит в движение, продолжающееся до тех пор, пока сила упругости стенок не снизится до уравновешивающей ее силы трения скольжения ртути о стенки капилляра.

Учесть погрешность измерений «мертвого хода» довольно трудно из-за различия сил упругой деформации резервуаров разных термометров, но устранить «мертвый ход» можно легким постукиванием перед термометром перед отсчетом показаний.

Поправка на «выступающий столбик». Большинство типов ЖСТ граду-

ируются в жидкостном термостате по образцовому средству измерений при погружении градуируемого термометра до отсчитываемого деления. Тем самым обеспечивается одинаковая температура термометрической жидкости в резервуаре и капилляре термометра. Технические ЖСТ в рабочих условиях погружаются в среду до определенной отметки, как правило, на длину хвостовой части термометра. Поэтому и градуировка их производится при погружении термометра на длину его хвостовой части. На обороте шкальной пластины указывается температура окружающей среды, при которой градуировался термометр.

21

При эксплуатации термометра необходимо стараться сохранить условия градуировки и погружать его в контролируемую среду до отсчитываемого деления шкалы. Однако это не всегда удается сделать. Обычно установка термометра осуществляется так, что часть столбика термометрической жидкости находится вне контролируемой среды при температуре помещения, отличающейся от измеряемой, и принимает некоторую другую температуру, называемую температурой «выступающего столбика» tв. В результате изменение объе-

ма термометрической жидкости в капилляре будет отличаться от того, которое имело место при градуировке, т. е. при полном погружении термометра, а в показаниях ЖСТ возникнет погрешность – тем большая, чем больше «выступающий столбик» и чем больше его температура tв отличается от измеряемой t.

В таких случаях в отсчитанное по термометру значение необходимо ввести поправку, рассчитываемую по формуле:

где β – видимый коэффициент объемного расширения термометрической жид-

кости (см. табл. 3.1); n – число делений шкалы в «выступающем столбике», К.

Из (3.1) вытекает, что если t > tв, то t > 0, и наоборот, при t < tв t < 0.

Измерить среднюю температуру термометрической жидкости в «выступающем столбике» затруднительно. Для получения ее приближенного значения на середине высоты «выступающего столбика» привязывают к данному ЖСТ вспомогательный термометр; отсчет по нему принимают за среднюю температуру tв.

Очевидно, что трудно ожидать большой достоверности такого измерения tв. Поэтому необходимо стремиться, чтобы «выступающий столбик» имел ми-

нимальную длину n и, следовательно, сама поправка t была минимальной.

Поправка на внутреннее давление. Переход ртутного термометра из горизонтального положения в вертикальное вследствие возникновения гидростатического давления столба ртути в капилляре приводит к дополнительному давлению ртути на стенки резервуара. В результате упругой деформации стенок объем резервуара несколько увеличивается и при одной и той же измеряемой температуре термометр дает заниженный отсчет. Поэтому поправки шкалы ртутного термометра принято приводить к его горизонтальному положению. Для термометра, применяемого в наклонном положении, эта поправка может быть рассчитана по выражению tϕ = t0 sin ϕ, где ϕ – угол наклона термометра к горизонтальной плоскости.

22

вышающей ту, которую нужно будет измерить. Как только эта температура будет достигнута, легкими щелчками разрывают столбик ртути в месте соединения капилляра с верхним расширением. Иногда для того чтобы разорвать столбик ртути, требуется более сильное постукивание или даже встряхивание термометра.

С термометром Бекмана нужно обращаться осторожно! После «настройки» его нельзя класть горизонтально и встряхивать. Необходимо укрепить термометр в вертикальном положении. Температуру измеряют, погрузив термометр в измеряемую среду до начала делений его шкалы.

3.3.Вопросы для самопроверки

1.Объясните принцип работы ЖСТ.

2.В чем причина «мертвого хода» у ртутных термометров с тонким капилляром?

3.Когда вводят поправку на «выступающий столбик»?

4.Рассчитайте поправку, которую нужно внести в показания ртутного

термометра, погруженного до отметки 0 °С в среду. Показания ЖСТ состав-

ляют 30 °С, средняя температура «выступающего столбика» ртути – 18 °С.

Шкала термометра 0…100 °С.

5.Почему вводят поправку на внутреннее давление?

6.В чем заключаются принципиальные отличия в конструкции и применении метастатического термометра от обычного ЖСТ?

24

4. РЕЗИСТИВНАЯ ТЕРМОМЕТРИЯ

Резистивная термометрия охватывает средства и методы измерения температуры, использующие зависимость от температуры активного электрического сопротивления металлов, сплавов и полупроводников. Измерительные термопреобразователи в резистивной термометрии принято называть термопреобразователями сопротивления (ТС). Они кроме чувствительного элемента (ЧЭ), преобразующего изменение температуры в изменение электрического сопротивления, как правило, имеют защитный кожух, детали крепления и изоляции ЧЭ, электрические выводы. Структурная схема измерения темпера-

Материалы, предназначенные для ЧЭ ТС, должны удовлетворять ряду требований: иметь стабильную и хорошо воспроизводимую монотонную зависимость сопротивления от температуры и достаточно высокое значение температурного коэффициента сопротивления, определяемого выражением

α= 1 dR ;

R dt

их физические и химические свойства должны оставаться стабильными во времени в рабочем диапазоне температур. Кроме того, материал ЧЭ ТС не должен быть чувствительным к изменениям других внешних параметров, таких как давление, влажность, напряженность магнитного поля, загрязнение и др.

25

Наиболее полно перечисленным требованиям удовлетворяют чистые металлы: платина, медь, никель. Никелевые термопреобразователи имеют высокую чувствительность, платиновые – высокую стабильность (неизменность показаний с течением времени), медные – низкую цену и наилучшую линейность зависимости сопротивления от температуры.

Полупроводниковые материалы благодаря успехам в технологии их получения в настоящее время представляют широкий класс материалов, также пригодных для изготовления ЧЭ ТС.

По конструкции чувствительного элемента различают пленочные и проволочные термопреобразователи сопротивления. Как правило, медные и никелевые ТС изготавливают из проволоки (рис. 4.2), а платиновые могут быть как проволочными, так и пленочными. Последние имеют меньшую чувствительность к вибрациям, однако предназначены для функционирования в более узком температурном диапазоне (рис. 4.3).

4.1. Основные параметры термопреобразователей сопротивления

Основные параметры, определяющие области применения и схемы вклю-

чения термометров сопротивления, - это температурный коэффициент термометра сопротивления, номинальное сопротивление, диапазон измеряемых температур и номинальная статическая характеристика ТС.

Температурный коэффициент термопреобразователя сопротивления характеризует изменение сопротивления от температуры:

α = (R100 - R0 )( R100 ×100),

где R100, R0 - значения сопротивления ТС из номинальной статической ха-

рактеристики (НСХ) при 100 и 0 °С соответственно, округленные до пятого знака после запятой.

26

Номинальное сопротивление ТС представляет собой нормированное изготовителем сопротивление при 0 ° С, округленное до целых единиц, выби-

раемое из ряда: 10; 50; 100; 500; 1000 Ом. Существуют ТС и с другими зна-

чениями номинального сопротивления. В настоящее время наибольшее рас-

пространение получили платиновые ТС с номинальным сопротивлением

100 Ом при 0 °C. Вместе с тем имеет место тенденция к использованию пла-

тиновых ТС с номинальным сопротивлением до 1 и даже 10 кОм. Измери-

тельные системы, в которых используются ТС с высоким значением номи-

нального сопротивления, обладают дополнительными преимуществами, важ-

ным из которых является снижение влияния длины соединительных прово-

дов ТС на точность измерений.

Максимальный диапазон измерений ТС зависит не только от свойств материала, из которого изготовлен чувствительный элемент, но и от кон-

структивных особенностей, таких как способ и материал изоляции, материал соединительных элементов и др. Для большинства промышленных ТС диа-

пазон измерений составляет от –196 до 660 ° С (платина), от –50 до 200 ° С

(медь) и от –60 до 180 ° С (никель).

Класс точности (допуска) ТС представляет собой значения предель-

ных отклонений ТС от стандартной функции сопротивление– температура.

В табл. 4.1 представлены классы точности ТС, соответствующие ГОСТ

Самым распространенным в промышленности является класс В. Класс допуска −показатель точности подгонки ЧЭ под номинальное сопротивление при изготовлении. Стабильность, сопротивление изоляции, нагрев измери-

тельным током и другие параметры, влияющие на точность измерения тем-

пературы, могут быть идентичными у термопреобразователей сопротивления разных классов допуска.

27

инерционностью, зависящей от конструкции чувствительного элемента и его массы. Инерционность зависит также от массы, теплоемкости и теплопроводности защитных слоев и характеризуется постоянной времени Т. Чем она больше, тем медленнее протекает переходный процесс в элементе, и наоборот. Термоэлектрические преобразователи и термопреобразователи сопротивления характеризуются показателем тепловой инерции, в зависимости от которого различают термопреобразователи большой (Т < 60 с), средней (Т < 40 с) и малой (Т < 10 с) инерционности.

Для определения постоянной времени Т через точку начала переходного процесса проводят касательную к кривой переходного процесса. Отрезок времени по оси абсцисс от начала переходного процесса до точки пересечения касательной и прямой, соответствующей установившемуся значению tуст

измеряемого параметра, и будет определять постоянную времени Т (рис. 4.4). Запаздыванием τз называется отставание во времени начала изменения изме-

ряемого параметра от момента приложения возмущения.

4.2. Термопреобразователи сопротивления на основе металлов

Платиновые термопреобразователи сопротивления (ТСП). Чистая пла-

тина – наилучший и наиболее распространенный материал для изготовления ЧЭ ТС. К достоинствам платины следует отнести ее сравнительно высокую химическую инертность вплоть до высоких температур, высокую температуру плавления, высокое удельное электрическое сопротивление. Платиновые ТС ис-

пользуют для измерения температуры в диапазоне от −260 до 1100 °С. Стабильность ТСП тем выше, чем чище использованная в нем платина и

чем меньше в ней механических напряжений. Показателем чистоты платины и отсутствия в ней указанных напряжений служит отношение W100 = R100 R0 .

Максимальное значение W100 для очень чистой и отожженной платины составляет 1,39289.

Для измерений температуры в промышленности разработаны и серийно выпускаются технические ТСП. Они обладают высокой механической прочностью и надежностью. На рис. 4.5 показан чувствительный элемент платинового ТС. Он состоит из двух соединенных последовательно сварным соединением 5 платиновых спиралей 1, расположенных в каналах

Рис. 4.5. Чувствительный

керамического каркаса 4. К двум верхним концам элемент ТСП

29

этих спиралей припаяны платиновые или иридиево-родиевые (60 % родия) выводы 2, к которым приварены выводные проводники, изолированные керамическими бусами. Для крепления платиновых спиралей и выводов в керамическом каркасе используют глазурь (или термоцемент) 3 на основе оксидов алюминия и кремния. Пространство между платиновыми спиралями и стенками каналов каркаса заполнено порошком оксида алюминия, который служит изолятором и улучшает тепловой контакт между спиралями и каркасом.

Серийные технические ТСП изготавливаются с номинальным значением сопротивления R0, равным 1, 10, 50, 100, 500 Ом, трех классов точности: А, В

и С. Допускаемое отклонение от номиналь-

ного значения R0 составляет ±0,05 % для класса А; ±0,1 % − для класса В; ±0,2 % −

Зависимость сопротивления ТСП от температуры в диапазоне 0…600 °С хорошо аппроксимируется полиномом второй степени:

30