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; R₀ и R_t-электросопротивление при 0ºС и при температуре t, 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^-12 1/C.

У платины, применяемой для изготовления

технических термометров =3,9·10^-3 1/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^-3 1/C и 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 R₀ составляет соответственно 1,10,50,100,500 Ом.

Медные ТС (ТСМ) выпускают с сопротивлением R₀=10Ом (градуировка гр.10М), R₀=50Ом (градуировка гр.50М) и R₀=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 A и B – 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_t в месте с соединительными линиями 2 R_л образуют одно плечо моста, известные сопротивления R₁, R₂, R₃ – остальные, причем последнее является переменным сравнительным плечом. В диагональ ВД включена батарея питания G, 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_л практически компенсируются (полная компенсация достигается при R₁=R₂). По-прежнему R_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 b подается 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 реохорда R_р. Оба движка реохордов R_р и R′_p перемещаются 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 сопротивлениях R₁, R₂, R₃ через этот прибор протекает ток, величина которого зависит (нелинейно) от изменения R_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 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 Rı и R2. 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 рамку R1 ток поступает через резистор R постоянного сопротивления, в рамку R2 – через ТС Rt. Направление сил тока I1 и I2 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=Rt то I1 = I2, т.е. вращающие моменты рамок M1=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 или I1/I2 = С1/С2 · В1/В2 = С (В2/В1).

Подставив в это уравнение значения I1 и I2, выраженные через напряжение источника питания U и 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 выражении R, R1 и R2 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.