Электрические термометры

Термометры сопротивления (болометры). Сопротивление проводников из чистых металлов измеряется очень точно и достаточно точно воспроизводится. Это свойство металлов используют для измерения температуры термометром сопротивления.

Для изготовления такого термометра чаще всего применяют платиновую проволоку, так как платину легко можно получить химически чистой, а следовательно, результаты будут воспроизводимы. Платина не изменяется на воздухе даже при сильном нагревании; изменение сопротивления ее происходит по сравнительно простому закону; с ее помощью можно измерить температуру в достаточно широких пределах (от –200 до +900°С).

Для измерения температуры наибольшее распространение получили термометры сопротивления из платины для измерения температур от –190 до +600°С, из меди от –55 до +260°С, из свинца – для низких температур, а из фосфористой бронзы — для сверхнизких температур.

В СССР промышленностью выпускаются термометры сопро-тивления со стандартными граду-ировками: платиновые Гр 11а, 12а и 13а для температуры от –120 до +500°С и медные Гр 2а для температуры от –50 до +150°С.

Термометр сопротивления (рис.270) представляет собой спираль 1 из платиновой или другой проволоки, намотанную на слюдяной крест 2 или на кварцевую витую палочку или трубочку. К концам спирали припаивают подводящие ток провода 3 из платины, серебра или золота; концы проводов прикреплены к клеммам головки 4 термометра. Весь термометр помещен в кварцевую трубку 5, которая защищает спираль и подводящие провода от действия вредных веществ и механических повреждений.

В зависимости от назначения термометра величины сопротивления и длина спирали бывают различными. Например, термометр для технических целей на 100 Ом имеет длину 6 см, диаметр 3-4 мм; он заключен в металлическую оболочку. Термометр для лабораторных целей на 25-50 Ом обычно бывает длиной 2-4 см, диаметром 3 мм и чаще всего без оболочки.

К клеммам, расположенным на головке термометра, подсоединяют провода измерительной установки. Измерить сопротивление можно различными способами, но чаще всего для этого применяют измерительную систему с мостиком Уитстона (рис.271).

Напряжение, приложенное к термометру сопротивления R₁, не должно превышать 5-6 в. Силу тока в цепи регулируют с помощью реостата 2, включенного последовательно с источником тока 1. Мостик Уитстона, включенный в цепь, имеет две ветви. Первую ветвь образуют сопротивления R₁ и R₂, вторую – сопротивления R₃ и R₄. Обе ветви соединены цепью с гальванометром 3.

Если

R₁ / R₂ = R₄ / R₃ ,

то в этой цепи ток не идет и стрелка гальванометра по­казывает нуль. Помещая сопротивление R₁ (термометр) в среду с температурой 0° С и изменяя постоянные сопротивления R₂ и R₁, добиваются, чтобы гальванометр также показывал нуль. Затем, помещая термометр туда, где нужно измерить температуру (печь, термостат, реакционную смесь и пр.), изменяют величину сопротивления R₄ так, чтобы стрелка гальванометра показывала нуль, и вычисляют сопротивление R₁ термометра при данной температуре по формуле:

R₁ = R₂ · R₄ / R₃

Зная R₁, находят измеряемую температуру по зара­нее составленной таблице или графику для данного тер­мометра сопротивления и данного мостика Уитстона.

Удобнее градуировать непосредственно гальванометр по заранее известным температурам (по температурам плавления чистых металлов и солей) и по показаниям гальванометра, пользуясь составленным для него графиком или таблицами (Пилипчук Б. И., Вспомогательные таблицы для платиновых термометров сопротивления, Труды ВНИИ метрологии, № 25, 111, 1955), сразу определять температуру.

Термоэлектрические термометры (термопары). Термоэлектрические термометры, которые называют также пирометрами, представляют собой два различных проводника, спаянных или сваренных одними концами (так называемый спай), а другими концами соединенных с гальванометром. Термопару обычно помещают в фарфоровый или кварцевый карман (трубку, запаянную с одного конца).

Защитные трубки и карманы делают из различных материалов: выбор материала зависит от измеряемой температуры и от условий опыта. Так, для измерения температуры водяного пара, нагретого до 500°С, защитные трубки делают из стали, покрытой медью, или из меди. При измерении температуры дымовых газов, а также в керамических, электрических, криптоловых и других печах применяют для температур до 1500-1600°С трубки из неглазурованного фарфора или шамота, для температур около 2000°С – из двуокиси циркония.

Места скрепления проводников пары с проводниками цепи называются холодными спаями (рис.272). При измерении температуры их помещают в термостат с постоянной температурой, лучше всего с температурой, равной 0°С, т.е. в чистый лед, получаемый замораживанием дважды перегнанной воды. Горячий спай вводят в испы-туемый прибор или среду.

При нагревании горячего спая возникает электродвижу-щая сила, направленная от одно-го из взятых металлов к друго-му. Величина термоэлектродви-жущей силы обычно пропор-циональна разности температур между горячим и холодным спаями. Это свойство и поло-жено и основу намерения темпе-ратуры с помощью термопар.

Схема монтажа термопары показана на рис.273.

Каждая термопара в цепи с данным гальванометром должна быть предварительно отградуирована, и к ней должен быть составлен паспорт в виде таблички или графика (кривой, нанесенной на миллиметровую бумагу). Для этого оба спая (холодный и горячий) опускают в термостат с температурой 0°С и устанавливают гальванометр на нуль. Затем горячим спаем измеряют заранее известную температуру плавления чистых металлов и солей. Отмечают соответствие показаний гальванометра данной температуре и строят кривую «милливольты – градусы». При пользовании термопарой не следует менять гальванометр, так как иначе придется градуировать термопару снова. Время от времени нужно сверять показания гальванометра, измеряя известные температуры.

При правильном пользовании термопарой можно добиться измерения температуры с точностью до сотых долей градуса.

Для изготовления термопар чаще всего применяют чистые металлы и различные сплавы.

В СССР обычно применяют термопары, характеристика которых приведена в табл. 8.

Таблица 8. – Наиболее употребительные термопары (первым указан положительный термоэлемент)

Кроме перечисленных, имеется много других термопар. Например, иридий-иридиевородиевую термопару можно применять для измерения температуры до 2000°С.

Термопары пригодны и для измерения низких температур. Так, указанную в таблице медь-константановую термопару можно применять для измерения температуры до –190°С, термопару золото-серебро применяют для низких температур от –200 до –255°С.

Дифференциальные термопары. Для измерения разности температур применяют дифференциальные термопары (рис.274), состоящие из двух ветвей (из одного и того же металла) 1 и 2 и проводника 3 (из другого металла или сплава). Спаи А и В помещают в места, разность температур которых нужно изме-рить; стрелка гальванометра 4 отклоняется от нуля. Показания гальванометра пропор-циональны разности температуры спаев. Нуль гальванометра устанавливают в усло-виях, когда разность температуры спаев А и В равна нулю, т.е. t_А = t_B.

Термисторы. Термисторами называют полупроводниковые приборы, обладающие свойством изменять электропроводность при изменении температуры. Поэтому их называют также термически чувствительными сопротивлениями, особенностью которых является то, что при повышении температуры сопротивление термистора резко уменьшается, т.е. также резко увеличивается его электропроводность. Это и позволяет использовать термисторы для очень точного измерения температуры в очень большом интервале.

Для измерения температуры применяют термисторы самой разнообразной формы, В зависимости от того, в каких условиях должно проводиться измерение. Их делают в виде таблеток, трубок, стержней, пластин и т.д. На рис.275 показан внешний вид некоторых термисторов. Так, термистор, обозначенный буквой а, представляет собой таблетку из полупроводниковой массы. Диаметр таблетки – около 4 мм, толщина – около 1 мм. Такую таблетку помещают в металлическую чашечку с плоскими краями. Сверху чашечку прикрывают слюдяной пластинкой и края чашечки завальцовывают, плотно зажимая таблетку между дном чашечки и слюдяной пластинкой. Выводы термистора делают из мягкого многожильного медного провода. Один вывод припаян к бортику чашечки, а второй пропущен через отверстие в центре слюдяной пластинки и прикреплен к самой таблетке.

Термистор б имеет форму цилиндрического стержня. Полупроводниковая масса состоит, например, из окиси меди и окиси марганца. В зависимости от условий применения размеры стержней и полупроводниковая масса могут быть различны. Обычно длина стержня бывает в пределах 10-25 мм, а диаметр – от 2,5 до 7 мм. На торцах стержней делают контактные выводы.

Для предохранения термистора от действия влаги его покрывают влагонепроницаемой пленкой лака или же помещают в герметизированный корпус из металла или стекла и металла.

При помощи термисторов можно измерить температуру поверхности с очень небольшой площадью. На рис.276 показана схема включения термистора в электрическую цепь для измерения температуры. Изменяя величину питающего напряжения и добавочного сопротивления, можно получить желаемую точ-ность измерения. Если необхо-димо провести особо точное измерение, следует применить мостовую схему (рис.277).

При помощи термисторов можно измерять температуру на большом расстоянии от испы-туемого нагретого объекта.

Термисторы могут быть использованы также для очень точного регулирования температуры. В таком случае в мостовую схему можно подключить терморегулятор.

Пирометры

Для измерения температуры выше 800° С применяют пирометры, принцип действия которых основан на определении величины излучения, испускаемого нагретыми телами.

Радиационные пирометры. Принцип действия радиационных пирометров состоит в том, что поток теплового получения, испускаемого раскаленным телом, улавливается и фокусируется на теплочувствительной части прибора, соединенной с термопарой.

Принципиальная схема радиационного пирометра показана на рис.278. Он состоит из корпуса 6, имеющего объектив 2, который улавливает тепловой поток и направляет его на теплочув-ствительную часть 1 прибора. Эта часть представляет собой крестообразную пластину из платины, покрытую платиновой чернью. К этой пластине при-паяны четыре горячих спая хромель-копелевых термопар, образующих термобатарею. При нагревании или охлаждении теплочувствительной части также нагреваются или охлаждаются горячие спаи этой термобатареи. Таким путем достигается увеличение электродвижущей силы и, следовательно, увеличивается точность прибора.

Платиновая пластинка и термопары заключены в стеклянную температурную лампу 4, закрытую почерненным медным кожухом 5. В медном кожухе имеются отверстия для прохода тепловых лучей на теплочувствительную часть прибора и для наблюдения за правильностью фокусирования. Через цоколь лампы выведены концы термопар и присоединены внутри прибора к клеммам.

При фокусировании прибора нужно добиваться того, чтобы раскаленное тело было видно в телескопе и закрывало бы все поле зрения. Если изображение будет больше или меньше поля зрения, то условия наблюдения будут отличаться от градуировочных и результат измерения будет неправильным. Четкость изображения для правильной наводки достигается перемещением окуляра 8. Чтобы предохранить глаз наблюдателя от яркого света, можно пользоваться светофильтром 7, который перемещают при помощи ручки, расположенной рядом с клеммами.

Для измерения величины электродвижущей силы, возбуждаемой в термобатарее радиационного пирометра, пользуются или гальванометром, или потенциометром, которые должны быть градуированы в градусах по температуре излучения абсолютно черного тела.

Истинную температуру раскаленного реального тела по измеренной радиационным пирометром определяют введением поправок с учетом коэффициента черноты реального тела, температуру которого измеряют. Для этого пользуются специальными таблицами коэффициентов черноты полного излучения материалов при различных истинных температурах, а также таблицами соотношений между температурой, измеренной радиационным пирометром, или радиационной температурой, и истинной температурой в зависимости от коэффициента черноты полного излучения.

При помощи радиационных пирометров полного излучения можно измерять температуру от 900 до 1800°С и даже до 2000°С.

Оптические пирометры. Принцип действия оптических пирометров основан на сравнении в монохроматическом свете яркости излучения исследуемого накаленного тела с яркостью накала нити, интенсивность излучения которой в зависимости от температуры известна.

Схема наиболее распространен-ного оптического пирометра ОППИР-09 показана на рис.279. Это – переносный прибор, все части которого смонти-рованы в общем кожухе или корпусе. Луч света, испускаемый накаленным телом, попадает в прибор через объектив 1, а затем через окуляр 6 в глаз наблюдателя, сравнивающего яркость светового потока тела с яркостью нити 4 температурной лампы 3. Сравнение проводят в моно-хроматическом свете, получаемом с помощью светофильтра 5, расположен-ного за окуляром и пропускающего узкий спектральный участок света (область красных лучей).

Нить температурной лампы накаливается от щелочного аккумулятора, присоединенного к прибору проводами, проходящими через рукоятку 11.

Накал нити регулируют реостатом 8, включенным и цепь лампы последовательно. Движок 9 реостата передвигают при помощи кольцевой рукоятки 10. На рукоятке и на корпусе прибора имеются черточки белого цвета, около которых стоит отметка «0». Когда черточки на рукоятке и на корпусе прибора совпадают – цепь лампы разомкнута и аккумулятор отключен. Сила тока, подаваемого лампе, уменьшается при повороте рукоятки по направлению стрелки, которая имеется на ней.

Температуру отсчитывают по показанию пирометрического милливольт-метра 7, градуированного в градусах по накалу нити.

При измерении температуры оптическим пирометром ОППИР-09 его придерживают за рукоятку и направляют объектив на накаленное тело, предварительно убрав светофильтр. Передвигая окуляр и объектив, добиваются получения четких изображений нити температурной лампы и тела, температуру которого измеряют. После этого светофильтр снова помещают на его место и, поворачивая ручку реостата в сторону, противоположную направлению стрелки, постепенно повышают накал нити до тех пор, пока ее верхняя часть, хорошо заметная на фоне раскаленного тела, не сольется с фоном и не исчезнет из поля зрения.

Когда температура нити лампы ниже измеряемой температуры тела, видна темная линия на светлом фоне. Если же температура нити лампы выше измеряемой, видна светлая линия на темном фоне. При равенстве температур нить перестает быть видимой.

Оптический пирометр ОППИР-09 предназначен для измерения температуры от 800 до 2000°С, однако нить температурной лампы не выдерживает накала больше 1400°С. При температуре выше указанной материал нити начинает испаряться, вследствие чего характеристика лампы меняется. Чтобы избежать этого, при измерении температуры выше 1400°С для ослабления светового потока накаленного тела между объективом и температурной лампой помещают дополнительный светофильтр 2. Таким образом, прибор имеет два диапазона измерений: 800-1400°С и 1200-2000°С.

Ввиду того, что оптические пирометры градуируют по излучению абсолютно черного тела, для измерения температуры реальных тел с различными коэффициентами черноты в показания прибора следует вводить соответствующие поправки по специальным таблицам.

Кроме описанного, имеются эталонные оптические пирометры ОР-48, имеющие три диапазона измерений: до 1400°С, до 2000°С и до 3000°С. Оптический пирометр ЭОП-1 имеет пять диапазонов — от 1400 до 6000° С, с погрешностью измерения 0,05% при 1063°С, 0,2% при 3000°С и 1% при 6000°С.

К приборам всегда прилагаются инструкции, содержащие описание прибора, правила его использования, а также правила зарядки аккумуляторов. В паспорте прибора указывается его характеристика, данные о его градуировке, свидетельство о его пригодности для работы. Как все точные приборы, оптические пирометры следует периодически проверять.

Фотоэлектрический пирометр. Для непрерывного и бесконтактного измерения и записи температуры неподвижных и движущихся тел применяют фотоэлектрический пирометр ФЭП-4. Прибор изготовляет Свердловский опытный завод треста «Уралмонтажавтоматика». При его помощи можно измерять температуры от 500 до 1000° С. Прибор выпускается как одношкальный с предельной температурой измерения 2000°С, так и двушкальный – с пределом измерения до 4000°С. Основная погрешность показателей пирометра не превышает ±1% для приборов с верхним пределом измерения больше 2000°С.

Вторичным прибором этого пирометра служит быстродействующий показывающий и записывающий электронный потенциометр БП-5164 с прямолинейной шкалой и ленточной диаграммой. Время установления показаний потенциометра не превышает 1 сек.

Общий вид фотоэлектрического пирометра ФЭП-4 показан на рис.280; рис.281 иллюстрирует принципиаль-ную схему этого пирометра.

Изображение визируемой по-верхности 1 фокусируется линзой 2 на отверстии 4 в держателе светофильтра 7, установленного перед фотоэлемен-том 5. Диафрагма 3 и отверстие 4 ограничивают световой поток, падающий на фотоэлемент. Если изображение нагретой поверхности полностью пере-крывает отверстие 4, величина светового потока, падающего на катод фотоэлемента, зависит от яркости визируемой поверх-ности и, следовательно, от ее температуры. Через отверстие 6 в том же держателе свето-фильтра на фотоэлемент падает световой поток от лампы накаливания 10 (лампа обратной связи), питаемой током выходного каскада электронного усилителя 9. При помощи этой лампы в приборе осуществляется обратная связь по световому потоку. Световые потоки от визируемого тела и от лампы 10 модулируются с частотой 50 Гц в противофазе. Благодаря этому через фотоэлемент течет ток, переменная составляющая которого пропорциональна разности интенсивностей этих потоков. Переменная составляющая фототока усиливается усилителем 8 и выпрямляется фазовым детектором (на рисунке не показан). Выпрямленное напряжение поступает на сетку выходного каскада усилителя 9.

Интенсивности светового потока лампы обратной связи и потока визируемого тела несколько отличаются друг от друга, однако благодаря большому коэффициенту усиления системы разность между ними невелика. При увеличении этой разности ток в цепи лампы обратной связи довольно быстро изменяется, и разность снова уменьшается. Таким образом, ток лампы обратной связи, связанный с интенсивностью ее светового потока, с достаточной точностью характеризует яркость и температуру визируемого тела.