Конденсационные манометрические термометры.

В качестве тер­мометрического вещества в этих термометрах используются легко­кипящие жидкости, в частности пропан, этиловый эфир, ацетон, то­луол, хлористый метил и т. п. В зависимости от используемого ра­бочего вещества диапазон измерений лежит в интервале от —50 до 350°С. Специально изготовленные конденсационные термометры применяются для измерения сверхнизких температур, например при заполнении гелием для измерения температуры от 0,8 К. Тер­мобаллон термометра (рис. 6.2, б) заполнен конденсатом примерно на 0,7—0,75 объема, а над конденсатом находится насыщенный пар этой же жидкости. Капилляр в этих термометрах опущен в термо­баллон так, чтобы его открытый конец находился в жидкости и в том случае, когда при максимальной температуре в термобаллоне остается часть жидкости. Капилляр и манометрическая пружина заполняются обычно высококипящей жидкостью, которая служит для передачи давления от термобаллона к манометрической пру­жине.

Принцип работы конденсационных термометров основан на за­висимости давления Р насыщенного пара низкокипящих жидкостей от температуры Т:

где L — скрытая теплота испарения; У_п и У_ж — удельные объемы соответственно пара и жидкости.

Давление в термосистеме конденсационного термометра равно давлению насыщенного пара при температуре рабочей жидкости, которая, в свою очередь, равна температуре измеряемой среды с помещенным в нее термобаллоном. Зависимость давления насы­щенного пара от температуры однозначна (до критической темпе­ратуры), но нелинейна, вследствие чего шкалы конденсационных термометров имеют значительную неравномерность. Для получе­ния равномерной шкалы конденсационные термометры снабжают специальным линеаризующим устройством. Рабочее давление в конденсационных термометрах зависит только от пределов изме­рения и закона изменения давления насыщенного пара от темпе­ратуры.

В силу того что термобаллон в конденсационных термометрах может быть выполнен малых размеров, эти термометры обладают меньшей инерционностью, чем другие манометрические термометры. Кроме того, эти термометры более чувствительны, так как дав­ление насыщенного пара резко изменяется с температурой.

Конденсационным термометрам присущи гидростатическая погрешность и погрешность от изменения барометрического давления. Первая из этих погрешностей компенсируется аналогично жидкостным манометрическим термометрам, а вторая имеет место лишь на начальном участке шкалы, когда давление в термосистеме не­велико.

Важное достоинство этих термометров — возможность использования их на взрывоопасных объектах.

К их недостаткам относят необходимость частой поверки из-за возможной разгерметизации прибора и сложность ремонта, а также большие во многих случаях размеры термобаллона для газовых манометрических термометров.

Манометрические термометры, используемые в промышленно­сти, имеют классы точности 1—4.

Рис 6.

ВОПРОС №12

ВОПРОС №13

Компенсационный метод широко применяется для измерения тер­мо-э.д.с. термоэлектрических термометров, напряжения, а также других величин, связанных с напряжением определенной зависи­мостью.

Принцип компенсационного метода основан на уравновешивании (компенсации) измеряемой э. д. с. известным напряжением, полу­чаемым от строго определенного тока, называемого обычно рабочим, на сопротивлении с известным значением.

Рассмотрим принципиальную схему, иллю­стрирующую компенсационный метод измерения термо-э. д. с., которая показана на рис. 4-14-1. Уравновешивающее падение напряжения со­здается рабочим током I на реохорде (компен­сационном резисторе) R_p. При этом сопротивле­ние компенсационной цепи должно быть неиз­менным, а источник питания должен обеспе­чивать неизменным во время измерения рабочий ток I. Вдоль компенсационного резистора R_p может перемещаться скользящий контакт — дви­жок b, который с помощью провода соединен с одним зажимом переключателя П. К зажиму а реохорда R_p присоединен один зажим нулевого прибора НП, второй его зажим присоединен к переключателю П. Таким образом, с помощью переключателя нулевой прибор можно включить в цепь термоэлектрического термометра АВ или нормального элемента НЭ с э. д. с. енэ-

При измерении термо-э. д. с. Е (tt₀) нулевой прибор включают в цепь термометра и переме­щают движок b до тех пор, пока указатель ну­левого прибора не установится на нулевой от­метке шкалы. При выполнении этого условия падение напряжения на части реохорда R_p будет равно измеряемой термо-э, д. с. Е (t, t₀). В этом случае имеет место равенство

E(tt₀) = IR_р¹

где R_p¹ — сопротивление участка ab.

Если включить нулевой прибор в цепь НЭ с э. д. с. Е_нэ вместо термоэлектрического термометра, то в этом случае при том же рабочем токе I указатель нулевого прибора не будет отклоняться от нулевой отметки при ином положении движка b, так что сопротивление участка ab будет равно IR_к

Признаком уравновешивания или компенсации в том и другом случае является отсутствие тока в цепи нулевого прибора.

Разделив, почленно уравнения получим:

т. е. измеряемая термо-э. д. с. сравнивается с образцовой мерой — э. д. с. нормального элемента.

Рассмотренный компенсационный метод измерения термо-э. д. с. положен в основу принципа действия приборов, которые называются потенциометрами с постоянной силой рабочего тока.

НЭ – ртутно-кадмиевый, гальванический элемент, образованный соединением двух полуэлементов.

ВОПРОС №14

Измерение температуры термометрами сопротивления основано на свойстве проводников и полупроводников изменять свое элек­трическое сопротивление при изменении их температуры. Омическое сопротивление проводника или полупровод­ника представляет некоторую функцию его температуры R =f (t). Вид этой функции зависит от природы материала.

Для изготовления чувствительных элементов серийных термо­метров сопротивления применяют чистые металлы. К металлам предъявляют следующие основные требования.

1. Металл не должен окисляться и вступать в химическое вза­имодействие с измеряемой средой, должен обладать высокой воспроизводимостью значений электрического сопротивления в ин­тервале рабочих температур.

2. Температурный коэффициент электрического сопротивле­ния металла должен быть достаточно большим и неизменным. Этот коэффициент принято определять соотноше­нием , где R₀ и R₁₀₀ — сопротивление образца данного материала при температуре соответственно 0 и 100 °С. Для большинства чистых металлов α ≈ 4 *10^-3 1/°С.

3. Сопротивление должно изменяться с изменением темпера­туры по прямой или плавной кривой без резких отклонений и явлений гистерезиса.

4. Удельное электрическое сопротивление металла должно быть достаточно большим: чем больше удельное сопротивление, тем меньше нужно металла для получения требуемого первоначального сопротивления термометра.

Этим требованиям в определенных температурных пре­делах наиболее полно отвечают платина, медь, никель и железо.

Платина. Удельное электрическое сопротивление платины ρ = 0,1 Ом*мм²/м, а температурный коэффициент электриче­ского сопротивления в диапазоне температур от 0 до 100 °С α = 3,9*10^-3 1/°С.

Изменение сопротивления платины выражается уравнениями:

(6-1)

где R_t и R₀ — сопротивление платины при температуре соответ­ственно t и 0 °С; а, b — постоянные коэффициенты, значения которых определяют при градуировке термометра по точкам кипения кислорода, воды.

Характеристики платино­вых термометров сопротивления нелинейны.

Медь. Преимущества меди: низкая стои­мость, легкость получения ее в чистом виде, сравнительно высо­кий температурный коэффициент электрического сопротивления α = 4,26*10^-3 1/°С и линейную зависимость сопротивления от температуры

К недостаткам меди относятся малое удельное сопротивление (ρ = 0,017 Ом*мм²/м) и легкая окисляемость при температуре выше 100 °С.

Никель и железо. Эти металлы обладают сравнительно высоким температурным коэффициентом электрического сопротивления и относительно большим удельным сопротивлением. Функция сильно нелинейна, хотя чувствительность больше.

Но эти металлы трудно получить в чистом виде, легко окисляются при сравнительно низких температурах.

Существуют 2 стандарта изготовления – 78 и 90-х гг.

По ГОСТ -78г для Pt: гр 20, гр 21, гр 22

Сu:гр 23, гр 24

Новый стандарт: Cu: 10,50,100 -200÷200⁰С

Cu: 10М,50М,100М

Pt: 1П,5П,10П,50П,100П,500П -200÷1100⁰С

На рис. показан чувствительный элемент платинового тер­мометра отечественного производства. Он состоит из двух соеди­ненных последовательно платиновых спиралей 1, расположенных в каналах керамического каркаса 4. К двум верхним концам этих спиралей припаяны платиновые выводы 2. Для крепления платиновых спиралей и выводов в керамическом каркасе используют глазурь (или термоцемент) 3 на основе окисей алюминия и кремния. Про­странство между платиновыми спиралями и стенками каналов каркаса заполнено порошком окиси алюминия, который служит изолятором и улучшает тепловой контакт между спиралями и каркасом.

Для подгонки сопротивления при 0 °С изменяют длину нижних концов платиновых спиралей с последующей пайкой 5.

Рис. 6.3. Чувствительный элемент медного термометра сопротивления

Чувствительный элемент медного термометра сопротивления представляет собой бескаркасную безындукционную намотку 1 из медной проволоки диаметром 0,08 мм (рис. 6.3), покрытую фторопластовой пленкой 2. К намотке припаяны два вывода.3. Для обеспечения виброустойчивости чувствительный элемент по­мещен в тонкостенную металлическую гильзу, которая заполнена керамическим порошком и герметизирована.

Логометры — это магнитоэлектрические приборы, подвижная /система которых состоит из двух жестко скрепленных между собой рамок, расположенных под некоторым углом (в предельном случае в одной плоскости).

Угол поворота такой подвижной системы есть функция отно­шения сил тока Iг и I2 в обеих рамках:

В определенных пределах колебания напряжения источника питания не влияют на показания прибора. Таким образом, логометры совмещают преимущества уравновешенных мостов (не­зависимость от колебаний напряжения источника питания) и неуравновешенных (непосредственное измерение).

Рис. 6.10. Принципиальная схема логометра

На рис. 6.10 показана схема логометра. Постоянный магнит снабжен по­люсными наконечниками N и S с цилиндрическими выточками. Центры выто­чек полюсных наконечников смещены от­носительно центра сердечника. Между по­люсными наконечниками расположен ци­линдрический сердечник из стали, вокруг которого вращается подвижная система из двух рамок R1 и R2. К рамкам прикреплена стрелка, перемещаю­щаяся вдоль шкалы, проградуированной в градусах. Воздушный зазор между полюсными наконечниками и сердечником неравно­мерный, поэтому магнитная индукция меняется (наибольшее зна­чение в середине полюсных наконечников, наименьшее — у края), являясь функцией угла поворота от среднего поло­жения.

К рамкам подводится ток от общего источника питания. В рамку R1 ток поступает через резистор R постоянного сопротивления, в рамку R2 — через термометр R_t. Направление сил тока I₁ и I₂ таково, что вращающие моменты рамок оказыва­ются направленными навстречу один другому. Вращающие моменты рамок

где с₁ и с₂ — постоянные, зависящие от геометрических размеров и числа витков рамок; В₁ и В₂ — магнитные индукции в зоне расположения рамок.

Если сопротивление рамок одинаковое и R = Rt, то I1 = I2, т. е. вращающие моменты рамок равны. При этом подвижная си­стема находится в среднем положении. При изменении сопротивле­ния термометра вследствие нагрева (или охлаждения) через одну из рамок потечет ток большей силы, равенство моментов нару­шится, и подвижная система начнет поворачиваться в сторону действия большего момента. При вращении подвижной системы рамка, по которой течет ток большей силы, попадает в зазор с мень­шей магнитной индукцией, вследствие чего действующий на нее момент уменьшается. При этом другая рамка входит в зазор с большей магнитной индукцией, и ее момент увеличи­вается.

Вращение рамок продолжается до тех пор, пока их вращающие моменты станут снова равны.

К рамкам ток подводится тремя тонкими спиральными волос­ками, служащими одновременно для возвращения стрелки при­бора к началу шкалы при прекращении питания прибора током. Для увеличения чувствительности рамки логометра включают в мостовую схему, позволяющую осуществлять температурную компенсацию.

На рис. 6.11 показана принципиальная электрическая схема логометра Л-64. Рамки логометра включены последовательно в диа­гональ моста, составленного из постоянных манганиновых рези­сторов Rl, R2, R3, R6 и термометра сопротивления R_t. Средняя точка между рамками соединена через последовательно включенные медный резистор R5 и манганиновый R4 с вершиной моста, к ко­торой подведен один провод источника питания; второй провод источника питания подключен к противоположной вершине. Резистор R4 служит для изме­нения угла отклонения под­вижной системы, a R5 — для температурной компенсации.

Для обеспечения наибольшей чувствительности мостовая схема прибора симметрична, т. е. R2 = R3.

Рис. 6.11. Электрическая схема логометра

ВОПРОС №15