Электрические термометры сопротивления

 

Общие сведения. В металлургической практике для измерения температур до 650 ⁰С применяют термометры сопротивления (ТС), принцип действия которых основан на использовании зависимости электрического сопротивления вещества от температуры. Зная данную зависимость, по изменению величины сопротивления термометра, судят о температуре среды, в которую он погружен. Выходным параметром устройства является электрическая величина, которая может быть измерена с весьма высокой точностью, передана не большие расстояния и непосредственно использована в системах автоматического контроля и регулирования.

В качестве материалов для изготовления чувствительных элементов ТС используются чистые металлы: платина, медь, железо, никель и полупроводники, изменение электросопротивления материала при изменении температуры характеризуется температурным коэффициентом сопротивления а (1/°С), который вычисляется по формуле:

 

,

 

где t - температура материала, ⁰С; R₀ и R_t - электросопротивление соответственно при 0 ⁰С и температуре t, Ом.

 

Чистые металлы имеют практически линейную зависимость электросопротивления от температуры и положительный температурный коэффициент сопротивления, достигающий 0,004 – 0,006 1/⁰С, т.е. увеличение температуры на 1 ⁰С приводит к повышению сопротивления приблизительно на 0,4-0,6 % от величины в электросопротивления при 0 ⁰С.

Материал чувствительного элемента ТС должен иметь высокое удельное сопротивление, что обеспечивает небольшие габариты термометра; значительный коэффициент, а для получения высокой чувствительности устройства; хорошую воспроизводимость состава; стойкость к агрессивному воздействию окружающей среды при повышенных температурах; стабильность характеристики во времени; хорошие экономические показатели; линейность характеристики.

Наиболее хорошо указанным требованиям отвечают платина [интервал температур (-260)÷(+750 ⁰С)] и медь [интервал (-50)÷(+180) ⁰С)]. Специальная конструкция платинового термометра сопротивления (ТСП) позволяет, повысить верхний предел измерения до 1100⁰С.

Платина является основным материалом для изготовления ТС. Она характеризуется достаточно высоким удельным сопротивлением ( ₀ = 0,0981∙10^-6 Ом∙м), устойчива к окислительной среде, имеет стабильную и хорошо воспроизводимую градуировку от партии к партии. К недостаткам следует отнести высокую стоимость, возможность загрязнения и охрупчивания в восстановительной среде и др.

Однако достоинства платины обеспечивают наиболее точные измерения температур с помощью ТСП (классы точности 1 и 2). К достоинствам меди следует отнести низкую стоимость, линейную зависимость сопротивления от температуры, возможность получения тонкой проволоки высокой степени чистоты и в различной изоляции, достаток медных термометров сопротивления (ТСМ) заключается в низком верхнем пределе измерения (180 ⁰С), что вызвано значительном окислением меди при высоких температурах из-за разрушения изоляции (классы точности 2 и 3). Медь имеет малое удельное сопротивление ( ₀ = 0,0155 ∙ 10^-6 Ом∙м).

В диапазоне температур от -50 до +180 ⁰С сопротивление меди имеет линейную зависимость от температуры:

 

,

 

где R₀ и R_t - соответственно сопротивления ТСМ при температурах 0⁰С и t, Ом.

Полупроводниковые термометры сопротивления (ТСПП) или терморезисторы имеют значительно больший температурный коэффициент сопротивления (2-20 %/К) отрицательный у термисторов (2-7 %/К), положительный у термисторов (2-20 %/К). При очень низких температурах полупроводники обычно изоляторы, при высоких зависимость их сопротивления от температуры может быть выражена в виде экспоненциальной функции

 

,

 

где Т₂ - измеренная температура, К; Т₁ - эталонная температура, например, 273,15 К; и - значения сопротивления чувствительного элемента ТСПП соответственно при измеренной и эталонной температурах, Ом;

В - постоянный коэффициент, зависящий от материала; В= 1200÷7200 К.

ТСПП получили достаточно широкое распространение в лабораторной и промышленной практике вследствие высокого температурного коэффициента (высокая чувствительность), простоты изготовления, прочности, небольших габаритов (малая инерционность). Их сопротивление велико (от 1 кОм до 1 МОм), что также повышает точность контроля температуры, так как изменением сопротивления клемм и соединительных проводов можно практически пренебречь.

Термисторы состоят главным образом из смесей оксидов металлов: кобальто-марганцевых, медно-марганцевых, медно-кобальто-марганцевых и др. Пределы контролируемых температур: (-200)÷(+300)⁰С.

При измерении низких температур вблизи 0 К наиболее часто используются германий и кремний, причем монокристаллический германий, легированный сурьмой, является эталонным ТС и воспроизводит температурную шкалу в диапазоне от 4,2 до 13,81 К.

Термисторы изготавливают из сегнетоэлектрических керамик на основе титанатов, цирконатов свинца, бария, мышьяка и др. Они используются в сравнительно узком интервале температур (от 10 до 200 ⁰С), но диапазон измерения для каждого типа термистора еще уже и составляет только примерно 20 ⁰С, причем в этом интервале сопротивление изменяется на несколько десятков процентов. Использование термисторов в настоящее время ограничивается системами защиты от перегрева (например, электрических двигателей, подшипников и т.п.).

ТСПП имеют также существенные недостатки, которые ограничивают их применение в металлургии: 1) нелинейный характер зависимости сопротивления от температуры; 2) отсутствие воспроизводимости состава и градуировочной характеристики, что исключает взаимозаменяемость отдельных ТС данного типа. Это приводит к выпуску ТСПП с индивидуальной градуировкой.

При измерении температуры с помощью ТС необходимо учитывать, что чувствительный элемент у металлических ТС имеет большую длину и полученный результат характеризует среднюю температуру измеряемой среды в данном районе. Другим источником методической погрешности является наличие тока, протекающего через чувствительный элемент ТС и вызывающего его нагрев, что может исказить картину теплообмена в месте измерения. При температуре тающего льда величина этой погрешности для ТСП и ТСМ не превышает соответственно 0,2 и 0,4 ⁰С (рассеиваемая мощность ТС < 10 мВт).

Типы и конструкции ТС. Для решения различных задач ТС делят на эталонные (ТСП), образцовые (ТСП) и рабочие, которые в свою очередь подразделяются на лабораторные (ТСП, ТСМ) и технические (ТСП, ТСМ, ТСПП).

Эталонные ТС предназначены для воспроизведения и передачи шкалы МПШТ в интервале 13,81-903,89 К [(-259,34)÷(+630,74) ⁰С]. Для передачи температурной шкалы измерительным приборам низшего класса точности используются платиновые ТС 1-го и 2-го разрядов. В качестве эталонных, образцовых и лабораторных приборов повышенной точности в СССР используются платиновые ТС конструкции П.Г. Стрелкова.

Технические ТС в зависимости от назначения и конструкции делятся на: погружаемые, поверхностные и комнатные (для помещений); защищенные и не защищенные от действия агрессивной среды; стационарные и переносные; термометры классов точности 1, 2 и 3 и т.д. По тепловой инерции различают три группы: с большой, средней и малой инерционностью. Для последней группы постоянная времени не превышает 9 с.

Приборостроительная промышленность выпускает унифицированные конструкции ТС погружного типа, которые используются для измерения температур жидких и газообразных сред. Конструкция промышленного ТС с неподвижным штуцером, долечивающим его установку в строго заданном положении.

Подвижный штуцер позволяет регулировать глубину погружения термометра при измерении температуры сред с условным давлением р_у = 0,4 МПа. При измерении температуры сред с высоким давлением на чехол ТС устанавливается специальная защитная (монтажная) I гильза. Длина монтажной части технических ТС лежит в интервале от 60 до 3150 мм. Материал защитного чехла: латунь, алюминий, сталь (08X13,12Х18Н10Т).

Чувствительный элемент ТС выполнен из металлической тонкой проволоки с безындукционной (бифилярной) каркасной или бескаркасной намоткой. В качестве каркаса для платиновых термометров применяют плавленый кварц (эталонные, образцовые и технические) и керамику на основе оксида алюминия (технические). Каркас ТСМ изготавливается из пластмассы или металла.

 

1 - чувствительный элемент; 2 - штуцер с резьбой; 3 – защитный чехол; 4 – соединительные провода; 5 - клеммная колодка; 6 - фарфоровые бусы; 7 – корпус головки; 8 – крышка; 9 - сальниковый ввод; 10 – монтажный кабель; 11 – герметик; 12 – передвижной штуцер

Рисунок 2.6 - Унифицированный термометр сопротивления

 

Чувствительный элемент, состоящий из: четырех (или двух) последовательно соединенных платиновых спиралей 2, расположенных в каналах керамического каркаса 3. К верхним концам спиралей припаяны выводы 1, выполненные либо из платины, либо из сплава иридия с родием. Пространство между спиралями и каркасом заполнено порошком оксида алюминия 4, крепление спиралей и выводов в каркасе производится глазурью 5. Данный чувствительный элемент имеет ряд достоинств: герметичность, малую степень загрязнения платины глазурью, незначительные механические напряжения, высокую механическую прочность, небольшие габариты (диаметр 4,2 мм, длину 46 и 61 мм).

Чувствительный элемент 1 медного ТС, выполненный на пластмассовом каркасе медной изолированной проволокой 2, Герметизация безындукционной намотки обеспечивается нанесением на поверхность слоя лака 3. Выводы 4 выполнены из меди. Снаружи чувствительный элемент защищен металлическим чехлом.

Чувствительный элемент 1 медного ТС, выполненный бескаркасной намоткой изолированной проволокой, показан на рисунке в. Снаружи он покрыт фторопластовой пленкой 2 и имеет медные выводы 3. Чувствительный элемент помещают в латунную трубку 5, засыпают керамическим порошком 4 и герметизируют. Такая конструкция обеспечивает хорошую виброустойчивость ТС. Диаметр медного чувствительного элемента 5 мм, длина 20,50 или 80 мм.

 

 

а - с керамическим каркасом; б - с каркасом из пластмассы; в - бескаркасный

 

Рисунок 2.7 - Чувствительные элементы металлических термометров сопротивления

 

Платиновые ТС изготавливаются из проволоки диаметром 0,03-0,1 мм (низкоомные 0,5 мм), медные - 0,05-0,1 мм. Безындукционная намотка обеспечивает возможность включать ТС в схему измерения с приборами, питаемыми как постоянным, так и переменным током.

Метрологические требования, предъявляемые к градуировочным характеристикам металлических ТС, приведены в таблице 2.4.

 

Таблица 2.4 – Требования к градуировочным характеристикам металлических ТС

Тип ТС	Градуи- ровка	Интервал измеряемых температур,0С	Номиналь -ное сопро- тивление при 0С,Ом	Класс точности	Значения отношений R100/R0 и допускаемые отклонения, Ом	Допустимое отклонение от номи- нального значения, %
Платино -вый ТСП	10 П Гр.21 50 П   100 П	-260 ÷ 650 -200 ÷ 650 -200 ÷ 750   -260 ÷ 750		I   II   III	1,391 ±0,0015 0,0005 1,391 ±0,0015 0,0010 1,391 ±0,0015 0,0015	±0,05   ±0,1   ±0,2
Медный   ТСМ	Гр.23 50М 100М	-50 ÷ 180 -50 ÷ 200 -50 ÷ 200		II   III	1,428 ±0,0010   1,428 ±0,0020	±0,1   ±0,2

 

Взаимозаменяемость ТС достигается при помощи стандартных градуировок, в которой оговаривается сопротивление R₀ при 0 ⁰С, отношение R₁₀₀/R₀, а также допустимые значения их отклонений при переходе от одного термометра к другому (в пределах данного типа и класса). Металлические ТС используют для измерения температуры воздуха, газообразного и жидкого топлива, кислорода, охлаждающей воды, пара, низкотемпературных продуктов сгорания в различных металлургических агрегатах.

Значительно реже в металлургической практике встречаются полупроводниковые термометры сопротивления. Их применяют в термореле, низкотемпературных регуляторах, обеспечивающих высокоточную стабилизацию чувствительных элементов газоанализаторов, хроматографов, корпусов пирометров, электродов термоэлектрических установок для экспресс-анализа состава металла и т.п. Чувствительные элементы ТСПП выполняются в виде небольших цилиндриков, шайбочек, пластинок или бусинок.

 

а - стержневой; б - бусинковый; в - пластинчатый; г – дисковый; 1 – чувствительный элемент; 2 - выводы; 3 – защитное стекло

 

Рисунок 2.8 - Конструктивное исполнение ТСПП прямого подогрева

 

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: