19.3.2. Биметаллические и дилатометрические термометры

Разница коэффициентов линейного теплового расширения двух различных материалов может быть использована при конструировании термометров. Эта разность дается уравнением

(19.19)

где l - длина сенсора, и - коэффициенты линейного теплового расширения двух материалов, - изменение температуры.

В большинстве случаев термометры конструируются как трубка из материала имеющего больший коэффициент теплового расширения и коаксиального стержня из материала с меньшим коэффициентом. Они называются соответственно - активный и пассивный материал. Пара материалов должна иметь как можно большую разницу коэффициентов теплового расширения, высокую рабочую температуру и хорошую коррозионную стойкость.

Относительное удлинение различных материалов при изменении температуры показано на рис. 19.10.

Рис. 19.10. Принцип действия дилатометрического термометра

Поскольку разница расширений двух материалов разумной длины обычно очень мала, чтобы давать прямой отсчет температуры, необходимо использовать усиление этой разницы с помощью различных механических преобразователей (рис. 19.12).

Рис. 19.11. Относительное тепловое расширение материалов, используемых для дилатометрических термометров.

Рис. 19.12. Поперечное сечение дилатометрического термометра.

Термометр в виде биметаллической пластины показан на рис. 19.13. Биметаллическая пластина конструируется так, чтобы при нормальной температуре, обычно 20 С, она была плоской и изгибалась в сторону пассивного материала при нагревании. Наиболее типичные формы биметаллических термометров показаны на рис. 19.14. Отклонение конца пластины или угол поворота спирали может быть выражен в с помощью коэффициента изгиба k.

Рис. 19.13. Биметаллическая пластина

Для плоской пластины (a)

(19.20)

Для U - образной пластины (b)

(19.20)

Для спирали (c), (d)

(19.20)

где - разность температур, l -длина в мм, d - толщина пластины в мм, k - коэффициент изгиба в 1/С.

Рис. 19.14. Типичные формы биметаллических термометров.

Наиболее часто используются биметаллические термометры с геликоидальной спиралью. В термометре изображенном на рис19.14 используется защитный цилиндр из нержавеющей стали длиной около 250 мм. Диаметр цилиндра около 6-10 мм. Температурный интервал измерений может быть от -60 С до 500 С, а ошибка измерений составляет ±(1-2)% от всей шкалы. Чаще всего применяют медноцинковый сплав – латунь (70% Cu+ 30% Zn) и сплав железа с никелем - инвар (64% Fe+ 36% Ni), с существенно различными коэффициентами теплового расширения: порядка 0,000019 град для латуни и 0,000001 град^-1 для инвара.

20. Термометры сопротивления

20.1. Введение

Принцип действия термометра сопротивления основан на изменении электрического сопротивления термометрического тела с изменением температуры.

Первые исследования зависимости сопротивления платины от температуры были выполнены Hamphrey Davy, английским химиком, в 1921. Позднее, в 1871, Siemens предложил использовать это явление для измерения температуры. Предложенный им датчик из платиновой проволоки был в 1874 тщательно исследован комитетом, в который входили лорд Кельвин и Джеймс Кларк Максвелл. При исследовании было установлено, что предложенный Siemens термометр обладает тепловым гистерезисом, т. е. зависимость сопротивления от температуры в процессе нагрева не совпадает с зависимостью, измеренной при последующем охлаждении.

По этой причине термометр не был рекомендован для использования. Однако исследования платины, как материала для датчиков температуры, продолжил Каллендер, который и опубликовал в 1887 работу „О практическом измерении температуры“. Каллендер устранил причины гистерезиса и предложил уравнение для описания зависимости сопротивления платины от температуры, которое сегодня носит его имя.

Так как измерение электрического сопротивления легко производить с высокой степенью точности, то возможность создания точного термометра сопротивления сводится в основном к отысканию материала, имеющего достаточно резко выраженную и постоянную зависимость электрического сопротивления от температуры.