Термоэлектрические термометры и термометры со -противления

Для автоматического контроля и управления температурными режимами технологических процессов и дистанционной передачи показаний в качестве датчиков применяют термометры сопротивления и термопары. Такие датчики не являются самостоятельными приборами, а работают только со специальной группой измерительных приборов.

Т е р м о п а р а (термоэлектрический термометр) представляет собой спай двух разнородных металлических проводников (термоэлектродов), кото-рые предназначены для измерения температуры рабочих объектов. Конец тер-

 

мопары, помещаемый в объект измерения температуры, называется рабочим или «горячим» спаем, свободные или «холодные» концы термопары соединены с измерительным прибором. Термопарой осуществляется преобразование теп-ловой энергии в электрическую.

Принцип работы термопары заключается в том, что при изменении температуры «горячего» спая на свободных («холодных») концах термопары изменяется термоэлектродвижущая сила (термо-э. д. с.) постоянного тока.

Согласно явлению Зеебека, в замкнутой электрической цепи, образован-ной двумя разнородными проводниками, возникает термо-э.д.с, пропорцио-нальная разности температур спаев. Величина термо-э.д.с. зависит только от температуры «горячего» и «холодного» спаев и материалов, образующих тер-мопару.

Образование термо- э.д.с. в термопаре объясняется тем, что при нагрева-нии электроны на «горячем» спае приобретают более высокие скорости, чем на «холодном», в результате возникает поток электронов от «горячего» конца к «холодному». На «холодном» конце накапливается отрицательный заряд, на «горячем» — положительный. Разность этих потенциалов определяет термо-э.д.с. термопары.

На рис. 15 изображена цепь, состоящая из двух разнородных проводников А и В, нижние концы которых спаяны между собой. Нижние и верхние концы термопары находятся при различной температуре. Если температура t1 «горяче-го» спая выше температуры «холодного» спая, то ток потечет в направлении, указанном на рис. 15, а термо-э.д.с, развиваемая термопарой, определяется раз-ностью потенциалов спаев: ЕАВ = EАВt1 ─ EАВt2.

 

Рис. 15. Цепь термопары

 

Для технических измерений применяют термопары: хромель— копель (ТХК); хромель — алюмель (ТХА), платинородий (10% родия) — платина (ТПП). Реже используют термопары медь — копель, медь — константан, желе-зо — копель.

Т е р м о м е т р ы с о п р о т и в л е н и я применяются как датчики для измерения температуры. По материалу чувствительного элемента их подразде-ляют на термометры сопротивления платиновые — ТСП и термометры со-противления медные — ТСМ.

 

а) б) в)

Рис. 16. Общий вид датчиков температуры — термометров противления: а — ТСП-175, б — ТСП-972, в — ТСП-0063

 

Для защиты от механических повреждений и удобства монтажа термо-метры сопротивления заключают в защитную арматуру различных модифика-ций (рис. 16).

Медные термометры сопротивления используют при измерениях от —50 до +180°С, платиновые — от —200 до +650 °С.

Изменение электрического сопротивления термометров связано с тем, что тепловое колебание кристаллической решетки металла термометра сопротивле-ния (меди, платины) пропорционально температуре: чем выше температура, тем выше колебания решетки и степень подвижности свободных электронов, а следовательно, больше электрическое сопротивление. При очень низких темпе-ратурах, близких к температуре «абсолютного нуля» (—273 °С), тепловые ко-лебания кристаллической решетки и свободных электронов настолько ничтож-но малы, что электрическое сопротивление практически равно нулю, т. е. на-блюдается явление сверхпроводимости.

 

 

П и р о м е т р ы

Для измерения температур от 400 до 4000 °С используют пирометры из-лучения. Принцип работы этих приборов основан на способности нагретого те-ла излучать энергию в виде световых и тепловых лучей. С повышением темпе-ратуры тела интенсивность излучения возрастает, кроме того, появляются из-лучения различных длин волн. При большей температуре большая часть энер-гии излучается с меньшей длиной волны. Эталоном максимальной лучеиспус-кательной и лучепоглощающей способности является абсолютно черное тело. Однако ни один из материалов в природе не обладает такой способностью. Из-лучательная способность абсолютно черного тела равна полному количеству энергии, излучаемой с 1 м2 поверхности за 1 с (Вт/м2).

 

 

Рис. 17. Пирометр ФЭП-4:

а - схема пирометра, б — модель абсолютно черного тела; / — линза объектива, 2 — диа-фрагма, 3 — зеркало, 4 — лампа обратной связи, 5 — светофильтр, 6 — окуляр, 7 — фо-тоэлемент, 8 — усилитель, 9 — выходной каскад, 10 — калибровочное сопротивление, 11 — потенциометр, 12 — объект измерения температуры

 

 

На рис. 64, б показана модель абсолютно черного тела. Если даже внут-ренняя поверхность тела имеет не очень большой коэффициент поглощения, то излучение все равно практически полностью поглотится внутренней поверхно-стью в результате многократных внутренних отражений.

С помощью пирометров по яркости излучения определяют температуру нагретого тела. Градуируют пирометры по интенсивности излучения искусст-венного черного тела.

Пирометры выпускают двух типов: о п т и ч е с к и е и р а д и а ц и о н -н ы е.

Пирометры, основанные на яркостном методе измерения, называются оптическими или я р к о с т н ы м и.

Пирометры, использующие радиационный метод измерения температуры, называются р а д и а ц и о н н ы м и или пирометрами полного излучения.

К оптическим пирометрам относятся приборы ОППИР и ФЭП-4, которые являются измерителями одноцветного монохроматического излучения.

Принцип действия оптического пирометра ОППИР основан на сравнении через светофильтр яркости нагретого объекта и яркости раскаленной нити фо-тометрической лампы накаливания. Светофильтр пропускает излучения опре-деленной длины волны. Прибор ОППИР позволяет измерять температуру от 800 до 6000 °С. Основная погрешность измерения 4—8 %.

Принцип действия фотоэлектрического пирометра ФЭП-4 (рис. 17, а) за-ключается в том, что излучение от объекта измерения 12 вместе с излучением от эталонной лампы 4 в противофазе попадает на фотоэлемент 7. Разность этих световых потоков усиливается усилителем 8 и подается на выходной каскад 9, нагрузкой которого является эталонная лампа накаливания 4, последовательно с которой установлено калиброванное сопротивление 10. Падение напряжения на калиброванном сопротивлении измеряется электронным потенциометром 11, шкала которого отградуирована в единицах измерения температуры.

 

Пирометр выпускают на пределы измерения температуры от 500 до 4000 °С. Основная погрешность не превышает ± 1 % при измерении температуры не выше 2000 СС и 1,5 % — при температуре свыше 2000 °С.

 

Рис. 18. Общий вид телескопа ТЭРА-50:

/ — линза окуляра, 2 — корпус, 3 — термобатарея, 4 — фланец, 5 —• линза объектива, 6 —• диафрагма, 7 — зажимы для подключения измерительного прибора

 

Радиационный пирометр РАПИР является измерителем полного излуче-ния и предназначен для измерения температур в диапазоне 100—2500 °С. Ос-новным элементом прибора является телескоп ТЭРА-50 (рис. 18) с термобата-реей, преобразующей тепловое излучение тела в термо-э.д.с, которая измеряет-ся вторичным прибором.

Чувствительным элементом телескопа ТЭРА-50 является термобатарея, состоящая из десяти соединенных последовательно термопар типа хромель — алюмель. При таком соединении результирующая термо-э. д. с. батареи равна сумме термо-э. д. с. составляющих ее элементов, что значительно повышает чувствительность прибора.

При измерении телескоп располагают на расстоянии 1 м от объекта изме-рения и наводят на него через линзу окуляра.