2) Термопарные термометры

Термопары являются наиболее распространенными устройствами для технических измерений, и поэтому остановимся более подробно на принципе действия; устройстве; материалах, применяемых для термопар; погрешностях измерения и т. д. Широкому применению термопары обязаны своим достоинст­вом, основные из которых, следующие: малые размеры, возможность автомати­ческой записи и передачи, сигнала на значительные расстояния, универсаль­ность измерений.

Сущность термоэлектрического метода заключается в возникновении ЭДС в проводнике, концы которого имеют различную температуру. Для того чтобы измерить возникшую ЭДС, ее сравнивают с ЭДС другого проводника, образующего с первым термоэлектрическую пару AB (рисунок 1), в цепи которой потечет ток.

Рисунок 1 – Схема термопары

Результирующая термо-ЭДС цепи, состоящей из двух разных проводников A и B (однородных по длине), равна

или

(1)

где e_AB(t₂) и e_AB(t₁) - разности потенциалов проводников A и B соответственно при температурах t₂ и t₁, мВ.

Термо-ЭДС данной пары зависит только от температуры t1 и t2 и не зависит от размеров термоэлектродов (длины, диаметра), величин теплопроводности и удельного электросопротивления.

Для увеличения чувствительности термоэлектрического метода измерения температуры в ряде случаев применяют термобатарею: несколько последовательно включенных термопар, рабочие концы которых находятся при температуре t₂, свободные при известной и постоянной температуре t₁.

Выбор материала для термоэлектродов является важным моментом. Прежде всего, необходимо определить термоэлектрические свойства выбираемого материала по отношению к нормальному термоэлектроду (обычно чистая платина). Известно, что выбираемые материалы по отношению к платине можно разделить на положительные и отрицательные.

Положительные – у которых в паре с платиной ток в более горячем конце течет от платины к материалу; отрицательные ­ – у которых ток, течет в обратном направлении. Необходимо набирать такие материалы, у которых была бы max э.д.с.

Однако не только величина развиваемой т.э.д.с. определяет возможность использования материала в качестве термоэлектродного, но и ряд следующих требований:

– постоянство термоэлектродных свойств материала на протяжении практически безграничного времени;

– высокая жароупорность (висмут, развивающий высокую т.э.д.с. практически неприменим из-за низкой температуры плавления 270°);

– высокая электропроводность (из-за этого практически неприменим кремний);

– возможность воспроизводства сплавов одинакового состава;

– легкость технологической обработки;

– дешевизна.

3) Термометры сопротивления

Применение термометров сопротивления основывается на зависимости их электрического сопротивления от температуры. У большинства чистых металлов сопротивление увеличивается приблизительно на 0,4% на 1K, а у металлов ферромагнитной группы (железо, никель, кобальт) приблизительно на 0,65%, у полупроводникового сопротивления уменьшается с температурой, причем температурный коэффициент на порядок выше чем у металлов.

Термометры сопротивления практически позволяют измерять температуру с высокой степенью точности до 0,02ºС, а при измерениях небольшой разности до 0,0005ºС. Широкому применению их препятствует сравнительно большие размеры чувствительного элемента (осреднение температур) и обязательное наличие источника тока.

Чаще для измерения температур применяют металлические термометры. Полупроводниковые термометры из-за ряда недостатков, перечисленных ниже, применяют в схемах сигнализации, САР и т.д.

Материалы для термометров должны обладать следующими свойствами:

• высоким удельным сопротивлением;

• высоким температурным коэффициентом;

• химической инертностью и легкой технологической воспроизводимостью;

• постоянством физических свойств во времени.

Наиболее подходящими и материалами оказались платина (-200÷630ºС) и медь (-50÷180ºС). Платина - дорогостоящий материал и поэтому чаще применяется там, где медь использовать нельзя.

Термисторы - это, по сути, термометры сопротивления, выполненные на основе смешанных оксидов переходных металлов. Два основных типа термисторов – NTC (с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления) и PTC (с положительным коэффициентом). Наиболее распространенный тип – NTC. РТС термисторы используются только в очень узких диапазонах температур, в несколько градусов, в основном в системах сигнализации и контроля.

Большим преимуществом термисторов является разнообразие форм и миниатюрность. Основные конструктивные типы: бусинковые (0,1-1 мм), дисковые (2,5-18 мм), цилиндрические (3-40 мм), пленочное покрытие (толщина 0,2-1 мм). Выпускаются бусинковые термисторы диаметром до 0,07 мм с выводами толщиной 0,01 мм. Такие миниатюрные датчики позволяют измерять температуру внутри кровеносных сосудов или растительных клеток.

4) Радиационные термометры (или пирометры) представляют собой неконтактные температурные датчики, действие которых основано на зависимости температуры от количества теплового электромагнитного излучения, полученного от объекта измерения. Это целая группа приборов, которая включает как приборы, измеряющие температуру точки на объекте, области на объекте, или позволяющие получить картину одномерного и даже двумерного распределение температуры на заданной площади измерения. Радиационные термометры очень широко используются в различных отраслях промышленности: металлургии, производстве стекла и керамики, полупроводников, пластика, бумаги и т.д. Радиационные термометры используются также в медицине, криминалистике, системах спасения людей и охраны.

Главная трудность состоит в измерении температуры тела, излучательная способность которого неизвестна. Объект измерения чаще всего далек от абсолютно черного тела, это может быть окисленная поверхность, полупрозрачное стекло, зеркальная поверхность и т.д. Кроме того, возникают трудности учета излучения, испущенного близлежащей областью и излучения отраженного от соседних объектов. К сожалению, не существует ни одного метода оптической пирометрии, который мог бы охватить весь набор встречающихся ситуаций. Однако разработаны различные подходы, каждый из которых способен преодолеть одну или две вышеупомянутые трудности.

Приборы этого типа имеют множество наименований: оптические пирометры, радиационные пирометры, пирометры полного излучения, автоматические инфракрасные термометры, термометры непрерывного излучения, линейные сканеры, тепловизионные радиометры, поверхностные пирометры, пирометры отношения, двухцветовые пирометры и т.п. Эти наименования больше связаны с назначением приборов. Общий термин, который применим к данному классу приборов, и имеет техническое функциональное значение – радиационные термометры.

В настоящей работе использованы три первых способа определения температуры: при помощи жидкостного ртутного термометра, термометра сопротивления и термопары.