1.4.3Дилатометрические и биметаллические термометры

Дилатометрические и биметаллические термометры – это преобразователи температуры, основанные на свойстве твердых тел изменять линейные размеры при изменении температуры.

Выходным параметром данных преобразователей является - длина тела, входным – измеряемая температура . Связь выходного и входного параметра описывается выражением

, (4.7)

где - длина твердого тела при температуре ; - длина твердого тела при температуре 0⁰С; - средний коэффициент линейного расширения тела от 0⁰С до .

В табл. 4.5 приведены средние коэффициенты линейного расширения для некоторых часто используемых материалов

Таблица 4.5

материал	, 0С-1	Интервал температур, 0С
алюминий	24,00	0-200
сталь никелевая (20-22% Ni)	20,00	0-500
Латунь	18,50	0-200
Железо	12,5	0-200
хромомолибден	12,3	0-100
фарфор	3,50	0-200
Инвар	0,9	-
плавленный кварц	0,55	-

Д илатометрические и биметаллические термометры нашли широкое применение в качестве преобразователей температуры в температурных реле.

Н

Рисунок 4.7. Схема устройства дилатометрического реле температуры.

а рис. 4.7 показано принципиальное устройство дилатометрического преобразователя температуры в температурном реле. Он состоит из металлической трубки 1, в которую впаян стержень 2, материал которого имеет меньший коэффициент линейного расширения, чем материал трубки. Трубка связана с рычагом 3. который с помощью пружины 4 прижимается к контакту 5. При увеличении температуры трубка удлиняется, подтягивая за собой стержень, который перемещает рычаг, замыкая контакт контактной группы. При уменьшении температуры стержень выталкивается из трубки, рычаг перемещается так, что контакт, изображенный на рисунке размыкается.

Н

Рисунок 4.8. Схема устройства биметаллического реле температуры.

а рис. 4.8 показано принципиальное устройство биметаллического преобразователя температуры в температурном реле. В качестве чувствительного элемента в биметаллических термометрах используется термобиметаллическая пластина 1, состоящая из двух слоев разнородных материалов, обладающих различными коэффициентами линейного расширения, например, латунь – инвар. При нагревании термобиметаллическая пластина изгибается в сторону материала с меньшим коэффициентом линейного расширения и замыкает контакт 2 контактной группы. Контакт регулируется винтом 3. Термобиметаллическая пластина и пластина с контактами крепится к изолятору 4. Термобиметаллы широко используются в качестве компенсаторов температурных погрешностей в других приборах.

1.5Термометры сопротивления

1.5.1Принцип действия и устройство термометров сопротивления

Термометр сопротивления - это преобразователь температуры, основанный на свойстве материалов изменять свое электрическое сопротивление при изменении температуры.

Термометры сопротивления, особенно металлические, получили широкое распространение как технические измерительные средства. Термометры сопротивления, изготовленные из платины, применяются и как образцовые измерительные средства. Важным достоинством термометров сопротивления является возможность организации дистанционной передачи показаний.

Для изготовления термометров сопротивления используются как чистые металлы, так и полупроводники. К числу достоинств металлических термометров сопротивления относятся: высокая точность, возможность выпуска изделий со стандартной градуировкой на любой температурный интервал в пределах допустимых температур применения термометра сопротивления.

Достоинством полупроводниковых термометров сопротивления является высокая чувствительность (в 6-10 выше, чем у металлических термометров сопротивления), а также малые размеры и малая теплоемкость, что совместно обеспечивает малую инерционность преобразователя. Известны полупроводниковые термометры сопротивления с постоянной тепловой инерции в несколько миллисекунд. Существенным недостатком полупроводниковых термометров сопротивления является нелинейность градуировочной характеристики и невозможность их применения без индивидуальной градуировки.

В практике технических измерений и, в частности, при измерениях температуры на объектах энергетики предпочтение отдается металлическим термометрам сопротивления. Металлы, предназначенные для изготовления термометров сопротивления должны отвечать следующим требованиям:

• стойкость к окислению;

• воспроизводимость значений активного сопротивления в интервале рабочих температур;

• монотонная и практически линейная зависимость активного сопротивления от температуры в рабочем интервале температур;

• высокое удельное сопротивление металла;

• отсутствие гистерезиса в зависимости ;

• достаточно высокое значение температурного коэффициента сопротивления .

Температурный коэффициент сопротивления может быть выражен как

(4.8)

Этим требованиям в широком интервале температур наиболее полно отвечает платина, если верхний предел применения термометра не очень высок - то медь и никель. Частично удовлетворяют: железо, вольфрам и молибден.

В табл. 4.6 приведены основные характеристики металлов, используемых для серийного изготовления термометров сопротивления.

Таблица 4.6

металл	х102, Ом мм2/м	х102, 1/0С
Платина	10,3	0,38-0,39
Медь	1,7	0,41-0,44
Никель	6,8	0,63-0,64

У

Рисунок 4.9. Устройство медного термометра сопротивления.

стройство металлических термометров сопротивления показано на рис. 4.9 на примере медного термометра. Чувствительный элемент металлического термометра сопротивления (рис.4.9, а) представляет собой пластмассовый или керамический цилиндр-каркас 1, на который в несколько слоев намотана металлическая проволока 2, являющаяся собственно преобразователем температуры. Намотка проволоки выполняется безындукционной, например бифилярной или сходной с ней по эффекту снижения индуктивности. Сверху катушка покрыта глифталевым лаком или закрыта керамической оболочкой. К концам обмотки припаиваются медные выводные провода 3, которые изолированы между собой асбестовым шнуром или фарфоровыми бусами. Чувствительный элемент вставляется в тонкостенную металлическую гильзу 4. Гильза с выводными проводами помещается в защитный чехол (рис.4.9, б), который представляет собой закрытую с одного конца трубку 5. На её открытом конце помещается клеммная коробка 6. Для монтажа защитный чехол имеет фланец 7 с монтажным узлом «под резьбу» 8 или «под приварку». Выбор защитного чехла «под резьбу» или «под приварку» определяется давлением, агрессивностью и радиоактивностью среды, в которой измеряется температура.

Выходным параметром термометра сопротивления является активное электрическое сопротивление, входным – измеряемая температура . Статическая характеристика, связывающая выходную и входную величины термометра сопротивления описывается выражением

, (4.9)

где - значение активного сопротивления при измеряемой температуре ; - значение активного сопротивления при 0⁰С; - температурный коэффициент сопротивления, К^-1.

Следует заметить, что выражение (4.9) без поправок на нелинейность для описания статической характеристики можно использовать только для меди. Статическую характеристику платинового и никелевого термометра сопротивления корректнее описывать полиномом второй степени

, (4.10)

где А и В коэффициенты, приводимые ниже.