Дилатометрические термометры

Принцип действия дилатометрического термометра основан на свойстве твердого тела изменять свои линейные размеры при изменении температуры. В ограниченном температурном диапазоне эта зависимость может быть выражена линейным уравнением

где l_T – длина тела при температуре t; l₀ – длина тела при температуре 0 °С; α – средний коэффициент температурного расширения тела в диапазоне температур от 0 °С до t.

Схема дилатометрического термометра показана на рис.3,а. Основу конструкции составляет металлическая трубка 1, внутри которой находится стержень 2. Трубка имеет коэффициент линейного расширения больше, чем стержень. Верхний конец трубки закреплен в штуцере 3. В головке 4 находится электроконтактное устройство, состоящее из рычага 5, соединенного со стержнем и электрическими контактами. Нижняя часть термометра погружается в среду, температура которой измеряется. При увеличении температуры из-за разницы коэффициентов линейного расширения трубка удлиняется больше, чем стержень, вследствие чего стержень перемещается вниз. При перемещении стержня одновременно приводится в движение рычаг, который при заданной температуре размыкает контакты. Если предположить, что при температуре 0 °С длины трубки и стержня одинаковы и равны величине l₀, то при изменении измеряемой температуры на величину Δt, величину взаимного перемещения свободных концов трубки и стержня Δl можно определить из уравнения

где l₀ – длина тела при температуре 0 °С; α_T – средний коэффициент температурного расширения трубки в диапазоне температур от 0 °С до t; α_С – средний коэффициент температурного расширения стержня в диапазоне температур от 0 °С до t.

Трубка прибора обычно изготавливается из латуни или нержавеющей стали, а стержень – из кварца или сплава инвар.

Рис. 3. Схемы дилатометрического (а) и биметаллического (б) термометров

Биметаллические термометры

Биметалл представляет собой две пластинки из металлов с разными коэффициентами температурного расширения, сваренные между собой по всей плоскости соприкосновения. При увеличении температуры биметалл изгибается в сторону слоя с меньшим коэффициентом температурного расширения. В термометрах биметаллы чаще всего применяют в виде плоских или цилиндрических спиралей. Это обеспечивает компактность конструкции и позволяет преобразовывать линейное перемещение во вращательное, удобное для конструкции показывающих приборов.

Угол закручивания спирали при изменении температуры от t₁ до t₂ определяется по формуле

где l – длина биметаллической пластинки, м; s – толщина биметаллической пластинки, м; α₁, α₂ – коэффициенты температурного расширения составляющих биметалла K⁻¹.

Следует иметь ввиду, что линейная зависимость между температурой и углом поворота биметаллической пластины наблюдается в ограниченном диапазоне температур.

На рисунке 3,б показана конструкция биметаллического термометра с плоской спиралью. В промышленности чаще применяются термометры с цилиндрической спиралью. Биметалл, свернутый в цилиндрическую спираль вставляют в защитную арматуру, соединенную с головкой термометра, в которой размещается передаточный механизм, шкальная пластина и указательная стрелка термометра.

Диапазоны показаний биметаллических термометров могут находиться в пределах от – 70 °С до 600 °С.

Термометры сопротивления

Термометр сопротивления – это термометр, содержащий термопреобразователь сопротивления, действие которого основано на зависимости электрического сопротивления чувствительного элемента от температуры.

Чувствительные элементы изготавливают из чистых металлов, сплавов и полупроводников. Чистые металлы имеют положительный температурный коэффициент сопротивления (ТКС), т.е. с увеличением температуры их сопротивление увеличивается. Это связано с тем, что число носителей тока – электронов проводимости – в металлах очень велико и не зависит от температуры. Электрическое сопротивление металла увеличивается с повышением температуры в связи с возрастающим рассеянием электронов на неоднородностях кристаллической решетки, обусловленным увеличением тепловых колебаний ионов около своих положений равновесия. Максимальная величина температурного коэффициента сопротивления металлов может достигать 0,0065 K⁻¹ (сопротивление увеличивается на 0,65% при увеличении температуры на один градус). В полупроводниках наблюдается иная картина – число электронов проводимости резко возрастает с увеличением температуры. Поэтому электрическое сопротивление типичных полупроводников столь же резко (обычно по экспоненциальному закону) уменьшается при их нагревании. ТКС полупроводников может быть на порядок выше ТКС чистых металлов.

Термометры сопротивления применяются для измерения в широком диапазоне температур, начиная от близких к абсолютному нулю до температуры 1100°С. Они обеспечивают высокую точность измерения и высокую стабильность и отличаются надежность в эксплуатации. Все эти качества обуславливают широкое применение термометров сопротивления для измерения температуры в теплоэнергетических установках.