книги / Теплотехнические измерения и приборы

ЧЭ вставляют в защитную металлическую гильзу, герметизация которой со стороны выводов осуществлена с помощью втулки из вакуумно-плотной керамики. Из этой гильзы также откачивается воздух, и она заполняется гелием под небольшим давлением. При таком выполнении термометра обеспечивается хорошая теплоотдача от среды, температура которой измеряется, к ЧЭ. Термометр ТСП-4054 обладает малой инерционностью (показатель тепловой инерции воо ~ 2 с). При измерении температуры от 20°С до точки кипения азота или воздуха погрешность термометра не превышает

в спокойном воздухе не превышает 7 с для ТСП-236 и 14 с — для ТСП-246. Термометры имеют класс точности 2. Монтажные длины термометров: у ТСП-236 от 20 до 200 мм; у ТСП-246 от 150 до 375 мм.

типа ТСМ, предназначенного для измерения температуры в преде­ лах от —50 до 180°С, показан на рис. 5-3-3. Он выполнен из изоли­ рованной медной проволоки диаметром 0,1 мм многослойной безын­ дукционной намоткой 2 на цилиндрическом каркасе из пластмассы или металла, герметизированной слоем лака S. К концам обмотки припаяны выводы из медной проволоки 4. Собранный ЧЭ вставляют в металлический чехол 5. Длина ЧЭ термометра равна 40 мм, а диаметр 5—6 мм.

где Ai — константы, определяемые градуировкой германиевого термометра сопротивления по газовому термометру.

По данным ВНИИФТРИ стабильность эталонных гер­ маниевых термометров сопротивления лежит в пределах ±0,001 К 1131.

На рис. 5-4-1 показано устройство эталонного германиевого термометра сопротивления, разработанного ВНИИФТРИ. Чувстви­ тельный элемент 1 термометра выполнен из монокристаллического германия, легированного сурьмой. К раздвоенным концам ЧЭ припаяны четыре золотых проводника, к которым приварены вы­ воды 2 из платиновой проволоки. Чувствительный элемент поме­ щен в защитную гильзу 3, снабженную стеклянной головкой 4 с впаянными в нее платиновыми выводами. Внутренняя стенка за­ щитной гильзы покрыта электроизоляционной пленкой 5. Гильза

ления типа ТСГ-ЗК для температур от 30 до 90 К и ТСГ-4К для интервала от 30 до 50 К. Пределы допускаемых погрешностей этих термометров сопротивления составляют ±0,05 и ± 0,1 К. Кроме этих термометров в институте изготовляют пленочные термометры сопротивления для измерения температур от 4,2 до 300 К и от 1,3 до 100 К.

Терморезисторы — полупроводниковые термометры сопротивле­ ния. Для изготовления ЧЭ полупроводниковых термометров ПТС (терморезисторов), используемых для измерения температуры от

— 100 до 300°С и выше, применяют смеси различных полупровод­ никовых веществ. Форма и виды изготовляемых ЧЭ весьма разно­ образны. Наиболее распространенными видами ЧЭ ПТС являются цилиндрические, шайбовые и бусинковые. Для предохранения от возможных механических повреждений и воздействия среды, тем­ пература которой измеряется термометром, ЧЭ в зависимости от

его назначения покрывают эмалью, помещают в защитный чехол и снабжают другими защитными устройствами.

Терморезисторы являются малоннерционными термометрами, что имеет существеннее значение, например, для исследования нестационарных тепловых процессов. Большое номинальное сопро­ тивление полупроводниковых термометров (от единиц до сотен килоом) позволяет при измерении температуры не учитывать со­ противление проводов, соединяющих термометр с измерительным прибором. Кроме того, к достоинствам ПТС следует отнести возмож­ ность их использования в качестве бесконтактных температурных сигнализаторов (термореле).

К числу недостатков ПТС можно отнести следующее:

1. Отсутствие взаимозаменяемости изготовляемых в настоящее время ПТС. Вследствие этого номинальные значения сопротивле­ ний и температурные коэффициенты даже для одного и того же типа ПТС имеют большой разброс. Это исключает возможность получения единой градуировочной таблицы для данного типа ПТС, и каждый ПТС, предназначенный для измерения или сигнализации температуры, необходимо градуировать индивидуально.

2.Нелинейный характер зависимости электрического сопро­ тивления от температуры.

3.Малая допускаемая мощность рассеяния при прохождении измерительного тока.

Следует отметить, что рассматриваемые ниже полупроводнико­ вые термометры сопротивления для измерения температуры на

электростанциях в настоящее время не применяются.

Для выпускаемых ПТС для измерения температуры от — 100 до 300°С зависимость сопротивления их от температуры в интер­ валах, не превышающих 100°С, определяется выражением [20]

При применении полупроводниковых термометров в темпера­ турных интервалах, не превышающих 25°С, зависимость их сопро­ тивления от температуры может быть выражена упрощенной фор­

Градуировка ПТС, предназначенных для измерения темпера­ туры в интервале более чем 100°С, должна производиться по ряду экспериментальных точек в заданном диапазоне температур через каждые 10°С [20].

Погрешность измерения температуры данной среды с помощью полупроводниковых термометров сопротивления (без учета погреш­ ности измерительного прибора) зависит в основном от нестабиль-

ности его сопротивления, погрешности градуировки, погрешности от перегрева и условий измерения температуры данной среды. Нестабильность ПТС является основным фактором, определяющим погрешность измерения температуры. Критерием нестабильности ПТС принято считать изменение значения сопротивления (в про­ центах) после выдержки при максимальной по абсолютному зна­ чению рабочей температуре применения данного типа ПТС в те­ чение 200 ч.

Нестабильность ПТС, выпускаемых промышленностью для изме­ рения температуры, достигает 0,5—1%. Нестабильность может

быть незначительной и лежать в пределах от 0,1 до 0,3%. Погрешность индивидуальной

ния в нем мощности рассеяния не превышала половины допускаемой погрешности измерения температуры. Допускаемая погрешность измерения температуры с помощью ПТС устанавли­ вается равной значению нестабильности, указанному в паспорте на ПТС заводом-изготовителем. Устройство некоторых типов полу­ проводниковых чувствительных элементов ПТС показано на рис. 5-4-2. В табл. 5-4-1 приведены основные характеристики полу­ проводниковых ПТС. С характеристиками других типов терморе­

содним измерительным прибором, шкала которого отградуирована

вградусах Цельсия, важное значение приобретает унификация их характеристик. Для обеспечения взаимозаменяемости применяют схему, образованную из ПТС (RT) и постоянных манганиновых резисторов RU1 и Ra, соединенных параллельно и последовательно

Таблица 5-4-1

Основные характеристики ЧЭ полупроводниковых термометров сопротивления

при 15U°C.

с RT (рис. 5-4-3). Такая схема или подобная ей позволяет с доста­ точной точностью совместить температурные характеристики ПТС

ции. Под релейным эффектом понимают резкое возрастание силы тока в цепи, состоящей из ПТС и последовательно соединенного

с ним манганинового резистора, вызываемое увеличением темпе­ ратуры среды, окружающей ПТС, и, следовательно, уменьшением значения его сопротивления. Следует отметить, что условия, при которых в цепи возникает релейный эффект, не ограничиваются только изменением температуры среды, в которой находится ПТС, и, вообще говоря, весьма разнообразны [23, 24].

5-5. Компенсационный метод измерения сопротивления термометра

Компенсационный метод измерения сопротивлений широко при­ меняется при точных измерениях температуры лабораторными тер­ мометрами сопротивления, а также при их градуировке. Применяе­ мые в этом случае термометры сопротивления должны иметь четыре выводных проводника. Два из них обычно называют токовыми, а два других — потенциальными. При применении таких термо­ метров рассматриваемый метод измерения сопротивления позволяет

полностью исключить влияние сопротивления соединительных проводников на результаты измерения, так как измерения производятся без потребления тока. Компенсационный ме­ тод измерения сопротивлений используется также для измерения сопротивления пиро­ метрических милливольтметров и в ряде дру­ гих случаев.

Схема измерения сопротивлений компен­ сационным методом показана на рис. 5-5-1. Как видно из приведенной схемы, термометр сопротивления RT включен последовательно с образцовым резистором RN в цепь источника постоянного тока. В качестве резистора RN

обычно применяют образцовую катушку сопротивления класса 0,01. При использовании лабораторного термометра сопротивления вто­ рого разряда можно применять образцовую катушку сопротивления класса 0,02. В некоторых случаях, например при измерении сопро­ тивления пирометрического милливольтметра, в качестве образцо­ вого резистора RN пользуются магазином сопротивления соответ­ ствующего класса точности. Измерительный ток в схеме устанавли­ вается с помощью реостата Rj, а контролируется по падению напря­ жения на образцовом резисторе RN посредством лабораторного потенциометра. Необходимое значение измерительного тока должно выбираться таким, чтобы при измерении температуры не вызывать заметного нагрева чувствительного элемента термометра сопротив­ ления выделяющимся джоулевым теплом.

Потенциальные проводники от термометра сопротивления и об­ разцовой катушки присоединены к переключателю Я, с помощью которого лабораторный потенциометр может быть поочередно под­ ключен для измерения падения напряжения на образцовой катушке

сопротивления UN и на чувствительном элементе термометра t/T. Если через / обозначить силу тока в цепи, то

шают нескольких десятков милливольт. Поэтому для измерения UT и UN применяют низкоомные лабораторные потенциометры класса 0,01 и 0,02.

Точность измерения сопротивления термометра, а вместе с тем и температуры компенсационным методом, зависит от точности применяемых технических средств и условий измерения.

5-6. Измерение сопротивления термометра мостом

Сопротивление термометра с помощью моста можно измерить нулевым методом или методом отклонения. Ниже рассмотрим эти методы измерения сопротивления термометра.

Измерение сопротивления термометра уравновешенным мостом. Уравновешенные четырехплечие мосты являются наиболее распро­

вторую (точки а и с) — чувствительный нулевой гальванометр. Изменяя значение сопротивления сравнительного плеча, всегда

можно добиться такого состояния схемы, при котором потенциалы точек а и с, а следовательно, к ток в нулевом приборе, равны нулю. Такое состояние обычно называют состоянием равновесия схемы. Равновесие схемы может быть достигнуто только при определенном

соотношении между сопротивлениями плеч моста. Действительно, если мост уравновешен, т. е. /г = 0, то /т = 1Хи / 2 = / 3 н падения напряжений на Rr и R«, а также и на Ri и R3 будут равны

IJRJ = / 3R3t

/ А = / 3^ 3;

отсюда получаем следующее соотношение:

Rj _ /?2 (5-6-1)

Ri “ /V

или

(5-6-2)

Из уравнения (5-6-2) видно, что уравновесить мост можно под­ бором сопротивления резистора Rx при постоянном отношении ба­ лансных плеч RJR3. Следовательно, каждому значению сопротив­ ления термометра соответствует вполне определенное значение сопротивления сравнительного плеча Ri при постоянно выбранном отношении плеч R2/R3.

При измерении сопротивления RT работа на мосте сводится к следующему. Если значение измеряемого сопротивления неиз­ вестно, то, задавшись отношением балансных плеч моста R3/R3> равным единице, вводят на сравнительном плече Ri наименьшее сопротивление и, замкнув на мгновение кнопки Кх и /С2, замечают, в какую сторону отклоняется стрелка нулевого гальванометра. Затем на сравнительном плече вводят наибольшее сопротивление, вновь на короткий период замыкают кнопки и замечают сторону отклонения. Если это отклонение противоположно первому, то остается только подобрать такое Rlt при котором повторные замы­ кания и размыкания кнопок не вызовут колебаний стрелки нуле­ вого гальванометра. Если же отклонения происходят в одну и ту же сторону, то надо изменить взятое ранее отношение балансных плеч и повторить опыт.

После того как измеряемое сопротивление приблизительно опре­ делено, подбирают таксе значение отношения балансных плеч моста, которое гарантировало бы его максимальную чувствитель­ ность, и вновь производят измерение.

Если подразделения резистора Ri недостаточно малы и полного равновесия достичь нельзя, то прибегают к одному из следующих способов:

1. Интерполируют, т. е. определяют, те ближайшие к действи­ тельному Ri значения R[ и R"t, при которых указатель нулевого гальванометра дает отклонения ах и а 2 в противоположные стороны

от нулевой отметки его шкалы. Если при этом R[ отвечает угол отклонения ах, a R] — угол отклонения а.,, то, следовательно, раз­ ности RI — R'i соответствует общий размах стрелки прибора в «1 4- а 2 делений шкалы.