Методы и средства контактных электроизмерений температуры (стр. 2 из 8)

При конструировании термопар, естественно, стремятся сочетать термоэлектроды, один из которых развивает с платиной положительную, а другой — отрицательную термо‑э.д.с. При этом необходимо учитывать также пригодность того или иного термоэлектрода для применения в заданных условиях измерения (влияние на термоэлектрод среды, температуры и т. д.).

Для повышения выходной э.д.с. используется несколько термопар, образующих термобатарею. На

рис. 3 рис. 3показан чувствительный элемент радиационного пирометра. Рабочие спаи термопар расположены на черненом лепестке, поглощающем излучение, холодные концы — на массивном медном кольце, служащем теплоотводом и прикрытом экраном. Благодаря массивности и хорошей теплоотдаче кольца температуру свободных концов можно считать постоянной и равной комнатной.

1.2. УДЛИНИТЕЛЬНЫЕ ТЕРМОЭЛЕКТРОДЫ, ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ЦЕПИ, ПОГРЕШНОСТИ ТЕРМОПАР

Удлинительные термоэлектроды. Свободные концы термопары лолжны находиться при постоянной температуре, лучше всего при 0°С (рис. 4). Однако не всегда возможно сделать термоэлектроды термопары настолько длинными и гибкими, чтобы свободные концы ее можно было разместить в достаточном удалении от рабочего спая (рис. 4). Кроме того, при использовании благородных металлов делать длинные термоэлектроды экономически невыгодно, поэтому приходится использовать провода от другого материала.

Соединительные провода A₁ и B₁ (рис. 4), идущие от зажимов в головке термопары до места нахождения нерабочих спаев и выполняемые из дешевых материалов, называют удлинительными термоэлектродами. Чтобы при включении удлинительных термоэлектродов из материалов, отличных от материалов основных термоэлектродов, не изменилась термо‑э.д.с. термопары, необходимо выполнить два условия. Первое — удлинительные термоэлектроды должны быть термоэлектрически идентичны с основной термопарой, т. е. иметь ту же термо‑э.д.с. в диапазоне возможных тем-

Рис. 4

ператур места соединения термоэлектрод-

ов в головке термопары (примерно в диапазоне от 0 до 100° С). И второе—места присоединения удлинительных термоэлектродов к основным термоэлектродам в головке термопары должны иметь одинаковую температуру,

Для термопары платинородий — платина применяются удлинительные термоэлектроды из меди и сплава ТП, образующие термопару, термоидентичную термопаре платинородий — платина в пределах до 150° С. Такие же удлинительные термоэлектроды с измененными знаками полярности применяют для термопары вольфрам — молибден. Для термопары хромель — алюмель удлинительные термоэлектроды изготовляются из меди и константана. Для термопары хромель — копель удлинительными являются основные термоэлектроды, но выполненные в виде гибких проводов.

Погрешность, обусловленная изменением температуры нерабо-ihx спаев термопары. Градуировка термопар осуществляется при температуре нерабочих спаев, равной нулю. Если при практическом использовании термоэлектрического пирометра температура нерабочих спаев будет отличаться от 0° С на величину ΔΘ₀ , то необходимо ввести соответствующую поправку в показания термометра.

Однако следует иметь в виду, что из-за нелинейной зависимости между э.д.с. термопары и температурой рабочего спая величина поправки к показаниям указателя ΔΘ, градуированного непосредственно в градусах, не будет равна разности температур ΔΘ₀ свободных концов, что очевидно из рис. 5.

Величина поправки ΔΘ связана с разностью температур свободных концов через коэффициент k (ΔΘ = ΔΘ₀∙k) называемый поправочным коэффициентом на температуру нерабочих концов. Величина k различна для каждого участка кривой, поэтому градуировочную кривую разделяют на участки по 100° С и для каждого участка определяют значение k.

В качестве примера устройства для автоматического введения поправки на температуру нерабочих спаев на рис. 6 схематично показано устройство ти

па КТ-08. В цепь термопары и милливольтметра включен мост, одним из плеч которого является терморезистор R_Т из медной или никелевой проволоки, помещенный возле нерабочих спаев термопары (остальные плечи моста выполнены из манганиновых резисторов). При температуре бц мост находится в равновесии и напряжение на его выходной диагонали равно нулю. При повышении температуры нерабочих спаев сопротивление R_Т также увеличивается, мост выходит из равновесия и возникающее напряжение на выходной диагонали моста корректирует уменьшение термо‑э.д.с. термопары. Вследствие нелинейности термопар полной коррекции погрешности, обусловленной изменением температуры нерабочих спаев, при помощи описываемого устройства получить не удается, однако величина остаточной погрешности не превышает 0,04 мВ на 10 К.

Недостатком подобных устройств является необходимость в источнике тока для питания моста и появление дополнительной погрешности, обусловленной изменением напряжения этого источника.

Погрешность, обусловленная изменением температуры линии, термопары и указателя. В термоэлектрических термометрах для измерения термо‑э.д.с. применяют как обычные милливольтметры, так и низкоомные компенсаторы с ручным или автоматическим уравновешиванием на .предел измерения до 100 мВ.

В тех случаях, когда термо‑э.д.с. измеряется компенсатором, сопротивление цепи термо‑э.д.с., как известно, роли не играет. В тех же случаях, когда термо‑э.д.с. измеряется милливольтметром, может возникнуть погрешность, обусловленная изменением сопротивлений всех элементов, составляющих цепь термо‑э.д.с.; поэтому необходимо стремиться к постоянному значению сопротивления проводов и самой термопары.

В отечественных термоэлектрических термометрах при их градуировке учитывается сопротивление внешней относительно милливольтметра цепи, т. е. проводов и термопары (R_пр + R_ТП), равное 5 Ом. Регулировка сопротивления этой внешней цепи осуществляется при помощи добавочной катушки сопротивления из манганина непосредственно при монтаже прибора.

Паразитные термо‑э.д.с. возникают вследствие наличия неод-нородностей в материалах и по данным, приведенным в работе, могут составлять для различных материалов 10—100 мкВ. В частности, для платиновой проволоки при протяженности распределения температуры 30 мм и температурном градиенте 30 К/мм величина паразитной термо‑э.д.с. составляет 10 мкВ.

1.3. РАЗНОВИДНОСТИ ТЕРМОРЕЗИСТОРОВ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ОСНОВЫ РАСЧЕТА

Для измерения температуры применяют металлические и полупроводниковые резисторы. Большинство химически чистых металлов обладает положительным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС), колеблющимся (в интервале 0—100° С) от 0,35 до 0,68 %/К.

Для измерения температур используются материалы, обладающие высокостабильной ТКС, линейной зависимостью сопротивления от температуры, хорошей воспроизводимостью свойств и инертностью к воздействиям окружающей среды. К таким материалам в первую очередь относится платина. Благодаря своей дешевизне широко распространены медные терморезисторы, применяются также вольфрамовые и никелевые.

Сопротивление платиновых терморезисторов в диапазоне температур от 0 до + 650° С выражается соотношением R_Т = R₀ (1 + AΘ + BΘ²), где R₀— сопротивление при 0° С; Θ — температура в градусах Цельсия. Для платиновой проволоки, применяемой в промышленных термометрах сопротивления, A = 3,96847∙10^-12 1/К; В = — 5,847∙10⁷ 1/К². В интервале от 0 до — 200° С зависимость сопротивления платины от температуры имеет вид Rт = R₀ [1 + AΘ + ВΘ² + С (Θ — 100)³], где С = — 4,22∙10¹² 1/К³.

При расчете сопротивления медных проводников в диапазоне от — 50 до + 180° С можно пользоваться формулой R_Т = R₀ (1 + aΘ), где a = 4,26∙10³ 1/К.