2.1. 2. Манометрические термометры

Принцип действия манометрического термометра основан на ис­пользовании зависимости между температурой и давлением термометрического вещества (газа, жидкости), заполняющего герметически замкнутую термосистему термометра. Принципиальная схема показывающего манометрического термометра приведена на рис. 1а. Термосистема состоит из термобаллона 1, капилляра 2 и манометрической одно или много витковой пружины 3. Капилляр соединяет термобаллон с неподвижным концом манометрической пружины. Подвижный конец пружины запаен и через шарнирное соединение 4, поводок 5,сектор 6 связан со стрелкой прибора 7. При погружении термобаллона в среду, температура которой измеряется, изменяется давление термометрического вещества в замкнутой термосистеме, чуствительный элемент которой (манометрическая пружина) деформируется и её свободный конец перемещается. Данное изменение положения положения пружины преобразуется в соответствующее перемещение регистрирующей стрелки относительно шкалы прибора.

Поперечное сечение манометрической пружины, выполненной в виде полой металлической (сталь, латунь, бронза) изогнутой трубки, либо овальное (рисунок 1,б) , либо сложной формы с пережатым средним участком и двумя каналами каплевидной формы (рисунок 1,в), что повышает её механическую прочность, уменьшает внутренний объём и снижает дополнительную температурную погрешность, связанную с изменением температуры окружающей среды. Цилиндрический термобаллон изготавливают из нержавеющей стали, обеспечивающей возможность контроля температуры химически агрессивной среды. Для защиты от механических повреждений капилляр, выполненный в виде медной или стальной трубки внутренним диаметром 0,35 и наружным 2,5 мм, прокладывают в защитной металлической оболочке. Длина капилляра может достичь 60 м.

В зависимости от термометрического вещества манометрические термометры делятся на газовые, конденсационные и жидкостные.

Рис. 1. Манометрический термометр

Область применения этих термометров – дистанционное измерение температуры в приделах от -120 до +600 ⁰С.

Класс точности манометрических термометров 1,0; 1,5; 2,5 и 4,0 при работе в интервале температур окружающего воздуха от 5 до 50 ⁰С. Приборы изготавливаются различных модификаций: показывающие, самопишущие, с сигнальными и регулирующими устройствами, а также с выходными унифицированными сигналами для включения в систему автоматического контроля и регулирования.

На показания манометрических термометров значительное влияние оказывают внешние условия: изменение температуры окружающего воздуха (дополнительная температурная погрешность), различная высота расположения термобаллона и пружины (гидростатическая погрешность), колебания атмосферного давления (барометрическая погрешность).

2.1. 3. Термопреобразователи сопротивления

Термопреобразователь сопротивления (ТС) представляет собой измерительный преобразователь с чувствительным элементом, который под воздействием температуры изменяет активное сопротивление электрическому току. Изменение электросопротивления данного материала при изменении температуры характеризуется температурным коэффициентом сопротивления (1/С), который определяется по формуле:

=(R_t-R₀)/R₀∙t,

где t-температура материала, ºС;R₀иR_t-электросопротивление при 0ºС и при температуреt, Ом.

В комплект ТС входят чувствительный элемент, соединительные провода, источник питания и прибор, измеряющий активное сопротивление и проградуированный в единицах измерения температуры. Чувствительный элемент ТС может быть выполнен из проводника или полупроводника.

Проводниковые ТС.Материалы, которые используют для изготовления проводниковых ТС должны быть устойчивыми к нагреванию, что обуславливает однозначность зависимости сопротивления от температуры и стойкость проводника против коррозии и, следовательно, достаточную точность измерений; иметь большойобеспечивающий высокую чувствительность прибора; значительное удельное сопротивление проводника позволяющее изготовить термометры малых размеров; линейность характеристики.

Наиболее полно указанным требованиям отвечают платина [интервал температур

(-260) (+750С)] и медь [интервал (-60)(+180С)].

Платина.Изменение сопротивления платины выражается уравнениями:

в диапазоне температур от 0 до +650С: R_t=R₀(1+at+bt²), (1)

в диапазоне температур от -200 до 0С: R_t=R₀[1+at+bt²+с(t-100)t³], (2)

где a,b,c- постоянные коэффициенты, значения которых определяют при градуировке термометра по точкам кипения кислорода, воды и серы:

a=3,96847·10^-3 1/C;

b=-5,847·10^-7 1/C;

c=-4,22·10^-121/C.

У платины, применяемой для изготовления

технических термометров =3,9·10^-31/C.

Из уравнений 1,2 видно, что

характеристики платиновых термометров

нелинейны однако отклонение от линейной

характеристики не превышает 5% в

интервале от 0 до 500С и 19% в интервале

температур от –200 до 0С.

Медь.К преимуществам меди следует

отнести низкую стоимость, легкость

получения ее в чистом виде, сравнительно

Рис.2. Чувствительный элемент высокий=4,26·10^-31/Cи линейную

платиновогоТС зависимость сопротивления от температуры

R_t =R₀(1+at).

К недостаткам меди относятся малое удельное сопротивление и легкая окисляемость при температуре выше 100С.

Кроме того для изготовления ТС используется никель и железо.

На рисунке 2 показан чувствительный элемент платинового термометра. Он состоит из двух соединенных последовательно платиновых спиралей 1, расположенных в каналах керамического каркаса 4. К двум верхним концам этих спиралей припаяны платиновые или иридиево-родиевые (60% родия) выводы 2, к которым приварены выводные проводники изолированные керамическими бусами. 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.

Для защиты от воздействия химически агрессивных сред и механических повреждений чувствительные элементы помещают в кожух, выполненный из алюминия или нержавеющей стали.

Все ТС выпускаются взаимозаменяемыми.

Условные обозначения градуировки платиновых ТС (ТСП)

установлены следующие:

гр.1П, гр.10П, гр.50П, гр.100П и гр.500П. Для термометров с указанной градуировкой сопротивление R₀составляет соответственно 1,10,50,100,500 Ом.

Медные ТС (ТСМ) выпускают с сопротивлением R₀=10Ом (градуировка гр.10М),R₀=50Ом (градуировка гр.50М) иR₀=100Ом (градуировка гр.100М).

Полупроводниковые ТС. Существенным их преимуществом является большой температурный коэффициент электрического сопротивления. Вследствие большого удельного электрического сопротивления полупроводников из них можно изготовить термометры малых размеров с большим начальным сопротивлением, что позволяет не учитывать сопротивление соединительных проводов и других элементов электрической измерительной схемы термометра.

В узком температурном интервале зависимость электрического сопротивления полупроводникового резистора (R) от температуры выражается уравнением:

R=A·exp(B/T),

где AиB– постоянные коэффициенты, зависящие от физических свойств полупроводника.

На рисунке 3 показан бусинковый терморезистор, состоящий из полупроводникового элемента 1, защищенного стеклянной оболочкой 4. В шарик 1 вмонтированы электроды 2 из платиновой проволоки, соединенные с никелевыми выводами 3.

Основным препятствием, ограничивающим широкое внедрение полупроводниковых терморезисторов в промышленность, является плохая воспроизводимость их параметров, что исключает их взаимозаменяемость, а также сравнительно невысокая максимальная рабочая температура (от –60 до 180С).

В качестве измерительных приборов ТС применяют уравновешенные (неуравновешенные) мосты и логометры.

Рис. 3 . Бусинковый полупроводниковый терморезистор

2.2. Вторичные преобразователи, работающие в комплекте с термометром сопротивления

2.2.1. Уравновешенный мост

Принципиальная схема уравновешенного моста приведена на рисунке 4а. Он используется для определения величины сопротивления при градуировке ТС и при измерениях температуры в лабораторных условиях. Термопреобразователь сопротивления R_tв месте с соединительными линиями 2R_лобразуют одно плечо моста, известные сопротивленияR₁,R₂,R₃– остальные, причем последнее является переменным сравнительным плечом. В диагональ ВД включена батарея питанияG, в диагональ АС – гальвонометр Р, служащий нуль – индикатором.

Равновесия схемы, т.е. состояния, при котором ток в гальванометре отсутствует, а потенциалы точек А и С равны, добиваются изменением величины R₃. Этому состоянию соответствует равенство отношений сопротивлений смежных плеч моста

откуда (3)

Сопротивления R₁,R₂ постоянны, поэтому в общем виде(при постоянстве R_л) можно записать R_t=f(R₃).

Нулевой метод измерения характерезуется высокой точностью, т.к. исключает влияния окружающей температуры, магнитных полей и изменения напряжения батареи питания G. Однако значительная погрешность может возникнуть при изменении сопротивленя соединительных проводов R_л(3), что вызывается значительными сезонными и суточными колебаниями температуры в местах прокладки кабеля, соединяющего ТС и измерительный мост. На рисунке 4б представлена трехпроводная схема включения ТС, в которой одна вершина диагонали питания (В) перенесена непосредственно к термометру. В этом случае условия равновесия моста можно записать:

откуда видно, что сопротивления проводов включены в различные плечи моста, поэтому изменения их величины ∆R_лпрактически компенсируются (полная компенсация достигается приR₁=R₂). По-прежнемуR_t=f(R₃).

При таком включении ТС погрешность практически на порядок ниже, но в 1,5 раза увеличивается расход соединительных проводов.

а) б)

Рис.4 . Схемы уравновешенного моста для измерения сопротивления

Автоматические уравновешенные мосты широко используются для измерения и регистрации температуры в комплекте с ТС, а также других параметров, изменения значения которых могут быть преобразованы в изменение активного сопротивления. Их характеризуют высокая точность и возможность использования в системах автоматического регулирования. Они выпускаются различных модификаций одно- и многоточечные, с дисковой и ленточной диаграммой, с дисковой и ленточной диаграммой, сигнальными устройствами и др.

На рисунке 5 приведена принципиальная схема автоматического уравновешенного моста, работающего на переменном токе, который также как ручной равновесный мост, реализует нулевой метод измерения сопротивления. Напряжения разбаланса на вершинах моста а и bподается на вход электронного усилителя ЭУ. В нем оно усиливается до величины, достаточной для приведения в действие реверсивного электродвигателя РД. Ротор двигателя, вращается в ту или другую сторону( в зависимости от знака разбаланса), через систему передач перемещает движок компенсирующего переменного резистора(реохорда)R_р, уравновешивая измерительную схему моста, а также перемещает показывающую стрелку и соответствующие элементы выходных устройств (ВУ). Если мост находится в равновесии, то ротор РД не вращается, т.к. напряжения на вход электронного усилителя не подается.

Рис.5 . Принципиальная схема автоматического уравновешенного моста

Современные автоматические мосты и потенциометры комплектуются различными( в зависимости от модификации) выходными устройствами: регулирующими, сигнализирующими, датчиками для дистанционной передачи показаний прибора, задатчиками и т.д. Одно из таких устройств – реохордное устройство для дистанционной передачи показаний состоит из дополнительного реохорда R′_p, движок которого жестко связан с движком измерительного измерительного реохордаR_р. Оба движка реохордовR_риR′_pперемещаются одновременно, и, следовательно, каждому значению измеряемой величины соответствует равнозначное положения движка реохорда дистанционной передачи показаний прибора.

В настоящее время промышленностью выпускаются автоматические мосты следующих типов: КСМ1, КПМ1, КМ140, КСМ2, ПС-160, КСМЗ, КСМ4 и др. Они могут быть как одно- так и многоточечными.

2.2.2. Неуравновешенный мост

Схема которого приведена на рисунке 6 исключает необходимость выполнения ручных операций по измерению R. В нем вместо нуль-прибора в диагональ моста АС устанавливается миллиамперметр. При постоянном напряжении питания и постоянных сопротивленияхR₁,R₂,R₃через этот прибор протекает ток, величина которого зависит (нелинейно) от измененияR_t.

Рис. 6 . Схема неуравновешенного

моста

2.2.3. Логометр

Это магнито-электрический прибор, подвижная система которого состоит из двух жестко скрепленных между собой рамок, расположенных под некоторым углом.

Рис.7. Принципиальная схема логометра

На рисунке 7 показана схема логометра. Постоянный магнит снабжен полюсными наконечниками NиSс 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 рамокRı иR2. К рамкам прикреплена стрелка, перемещающаяся вдоль шкалы. 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 ( G). В рамкуR1 ток поступает через резисторRпостоянного сопротивления, в рамкуR2 – через ТСRt. Направление сил токаI1 иI2 таково, что вращающие моменты рамок оказываются направленными навстречу один другому.

Вращающие моменты рамок:

М1 = С1· В1· I1 М2 = С2· В2·I2

где С1 и С2 – постоянные, геометрических размеров и числа витков рамок; В1 и В2 - индукции в зоне расположения рамок.

Если сопротивление рамок одинаковое R1=R2,R=RtтоI1 =I2, т.е. вращающие моменты рамокM1=M2, при этом подвижная система находится в среднем положении. При изменении сопротивления термометра вследствие нагрева (или охлаждения) через рамок потечет ток большей силы, равенство моментов нарушится, 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. В момент равновесия С1· В1 ·I1 = С2· В2 ·I2 илиI1/I2 = С1/С2 · В1/В2 = С (В2/В1).

Подставив в это уравнение значения I1 иI2, выраженные через напряжение источника питанияUи сопротивление цепей, получим:

(U/(R+Rt)) / (U/(Rt+R2)) = (Rt+R2) / (R+R1) = С (В2/В1)

Так как В = ƒ (φ), то и отношение В2/В1 = ƒ (φ); тогда (Rt+R2)/(R+R1) = ƒ(φ) или φ = ƒ ((Rt+R2) / (R+R1)). В этом выраженииR,R1 иR2 постоянные, поэтому угол поворота подвижной системы зависит только от сопротивления термометра: φ = ƒ(Rt).

Показания прибора не зависят от колебания напряжения источника питания только в определенных границах. Так, при колебаниях напряжения питания +20 % возникает угловая погрешность Δφ ≈ 0,5 – 1%.

К рамкам логометра ток подводится тремя тонкими спиральными волосками, служащими одновременно для возвращения стрелки прибора к началу шкалы при прекращении питания прибора током.