2.1.5. Пристрої для вимірювання температури.

2.1.5.1. Термометры расширения

Рідинні термометри. Рідинні термометри основані на залежності обїєму рідини від температури. В рідинних термометрах використовується ртуть, спирт, толуол, пентан. Мірою є довжина стовпа рідини. Інтервал вимірювання дуже обмежений температурою кипіння і замерзання рідини. Рідинні термометри використовують головним чином для вимірювання температур в інтервалі .

Основными элементами конструк- ции термометра (рис. 2.2) является резер- вуар 1 с припаянным к нему капилляром 2, заполненные частично термометриче- ской жидкостью 3, и шкала 4. В качестве термометрической жид- кости в большинстве случаев использует- ся химически чистая ртуть. Ртуть не сма- чивает стекло, легко получается в чистом виде, находится в жидком состоянии в широком диапазоне температур (от – 38,84 до 356,58 °С). Кроме нее используется: толуол, этиловый спирт, керосин, петролейный эфир, пентан.

Конструктивно различают палочные термометры и термометры с

вложенной шкалой. У палочных термометров шкала наносится на поверх-

ность толстостенного капилляра. У термометров с вложенной шкалой ка-

пилляр и шкальная пластинка с нанесенной шкалой заключены в защит-

ную оболочку, припаянную к резервуару.

Жидкостные термометры, изготовляемые из стекла, являются местными показывающими приборами. Они состоят из резервуара с жидкостью, капиллярной трубки, присоединенной к резервуару и закрытой с противоположного конца, шкалы и защитной оболочки. Приращение в капилляре термометра столбика жидкости ∆h (мм) при нагреве резервуара от температуры t1 до t2 определяется по формуле:

где V₁ - объем жидкости в резервуаре при температуре t₁ мм³;

α_ж и α_с - средние температурные коэффициенты объемного расширения жидкости и стекла, K^-1 ;

d - внутренний диаметр капилляра, мм.

Рідинні термометри відносяться до контактних методів з усіма їх характерними недоліками: необхідністю бути в тепловому контакті і в тепловій рівновазі з вимірювальним середовищем, цим термометрам властива інерційність. Рідинні термометри завжди показують власну температуру. Крім того ці прилади при вимірюванні можуть змінювати температури середовища.

2.1.5.2 Металеві термометри

Дилатометричні:

Изменение длины твердого тела от температуры может быть аппрок- симировано линейной зависимостью: lк =lн (1+αt), (2.6) где α - средний коэффициент линейного расширения в сравнительно нешироком диапазоне температур; lк, lн - длины термометров при конечной и начальной температурах.

Біметалеві термометри являють собою біметалеві пластини. Це міцно з’єднані між собою два різних метали або сплави. Розрізняють біметали двохшарові або багатошарові. Біметалеві пластини дуже чутливі до зміни температури. Відомі з 19 ст., наприклад прокатана пластина з алюмінію і сплаву алюмінію.

При изменении температуры такой пластины она изгибается в сторону материала с меньшим коэффициентом линейного расширения (на рисунке – металл 2). Для закрепленной с одного конца биметаллической пластины длиной l и толщиной s перемещение А ее

ненагруженного конца при изменении температуры пластины от t1 до t2 определится выражением:

где γ – удельный изгиб пластины, зависящий в основном от разности коэффициентов линейного расширения использованных металлов. Из (2.7) следует, что перемещение ненагруженного конца пластины не зависит от ее ширины. Зависимость перемещения незакрепленного конца биметаллической пластины от температуры справедлива в том интервале температур, в котором оба используемых металла обладают упругой деформацией.

Подбором специальных сплавов удается создать биметаллический термометр с рабочим диапазоном температур от -100 до 600°С.

Для увеличения длины пластины при сохранении малых габаритов чувствительного элемента его выполняют в виде спирали. В этом случае изменение температуры от t1 до t2 вызывает поворот ненагруженного конца спирали на угол ϕ:

Принцип дії металевого термометру полягає в тому, що вибирають один метал з великим коефіцієнтом теплового розширення, а другий – з малим (наприклад, інварний сплав Н36 – складається з нікелю (Ni, 36 %) заліза (Fe, 64%). Різниця в коефіцієнті термічного розширенні різних металів призводить до вигинання біметалевої пластинки при нагріванні. Якщо до одного кінця пластини закріпити стрілку, то вона буде рухатись в залежності від кута вигинання біметалевої пластинки і показувати відповідну температуру за градуйованою шкалою.

Існує біля 20 способів з’єднання металів між собою: сумісне пластичне деформування, гаряче кування пакету пластин, заливка рідкого металу на тверду поверхню іншого металу, послідовна заливка двох різних металів, пайка, наплавлення, іонне напилювання одного металу на поверхню другого.

Частіше для металевих термометрів використовують термобіметалеві пластини, виготовлені з:

• марганцевого сплаву 75%Mn-15%Ni10%Cu (75ГНД) та інварного сплаву (використовують для вимірювання температур в інтервалі );

• нікелевого сплаву Ni-Cr (24НХ) та інварного сплаву Н50. (використовують для вимірювання температур в інтервалі );

• міді та інварного сплаву Н36 (використовують для вимірювання температур в інтервалі );.

Основний недолік - контакт з вимірювальним середовищем і невелика точність.

3) Термометри опору. Принцип дії цих термометрів оснований на залежності електроопору металів або напівпровідників від температури.

Суттєва перевага термометра опору полягає в тому, що вимірювальний прилад і місце, де вимірюється температура, можуть розноситись на велику відстань.

Матеріалом для такого термометра буває тонкий платиновий дріт або стрічка, опір яких чутливий до зміни температури. Температурний коефіцієнт електричного опору платини  = (r_100oC- r_0oC)/100r_0oC=0.0039 К^-1. Часто використовують також чисту мідь з  = 0.0044 К^-1. Конструктивно дріт або стрічку намотують на електроізоляційний матеріал, кварц.

Використовується для вимірювання середніх температур: Pt – для –263- +1064^оС (13.81 К – 903.74 К з точністю 0.001 К), Cu. – для –50- +180^оС.

Використовуються також термометри опору на основі напівпровідників (вуглецю, германію та інших). Вони використовуються для вимірювання низьких температур 1 К – 300 К і наднизьких температур 1 К.

Вимірювання термометрами опору зводиться до вимірювання електроструму в замкнутому колі міліамперметром, параметри шкали якого відградуйовані в градусах.

Область вимірювання наднизьких температур за допомогою термометрів опору називається кріометрією. Прецизійне легування Ge методом ядерних трансмутацій дає можливість створення напівпровідникових термометрів опору для вимірювання температури 0.01 К.

Для температур вищих за 100 К використання напівпровідникових термометрів опору не рекомендується через нестабільність їх характеристик.

аряду с термометрами сопротивления из металлических проводников для измерения температуры находят также применение полупроводниковые термометры сопротивления - терморезисторы 2 (2 ГОСТ 106088-75. Терморезисторы.), изготовляемые из порошкообразной смеси окислов некоторых металлов: меди ( Cu2O 3), марганца (Mn2O3), кобальта (CoO), никеля (NiO) и др., спрессованной и спеченной при высокой температуре.

Терморезисторы, представляющие непроволочные объемные нелинейные резисторы различной формы (цилиндрические, шайбовые и др.), в отличие от металлических резисторов имеют отрицательный температурный коэффициент, т. е. при нагревании уменьшают свое сопротивление. При температуре 50° С и ниже значение их температурного коэффициента в 5 -10 раз больше, чем у металлов, что дает сравнительно большое изменение сопротивления в зависимости от температуры.

Сопротивление терморезистора R (Ом) определяется по формуле

http://www.kipia.info/bibliotek/teplotehnicheskie-izmereniya/glava-vtoraya-izmerenie-temperaturyi/?PAGEN_1=19

где Rн - номинальное сопротивление терморезистора при температуре Т0 = 293 К (20° С), Ом;

е - основание натуральных логарифмов;

В - постоянная, зависящая от свойств полупроводника, К;

Т - температура терморезистора, К.