Термометры сопротивления
Министерство образования и науки РФ
Федеральное государственное
бюджетное образовательное
высшего профессионального образования
Уфимский государственный нефтяной технический университет
Кафедра технологических процессов и производств
Курсовой проект
По курсу Технические средства автоматизации
На тему Термометры сопротивления
Выполнил студент гр. Аг-09-01
Проверил
Уфа 2012
Содержание
1.Введение……………………………………………………
2. Основные сведения о термометрах
сопротивления и металлах, применяемых
для их изготовления………………………………………...
3. Платина и изготовляемые из нее термометры сопротивления……….7
4. Медь и изготовляемые из нее термометры сопротивления………….12
5. Никель и изготовляемые из него термометры сопротивления……....14
6. Устройство платиновых и медных термометров сопротивления…...15
7. Измерительные приборы для работы с термометрами
сопротивления……………………………………………
7.1. Автоматические компенсационные
приборы для работы с малоомными термометрами
сопротивления……………………………………………
7.2. Общие сведения об автоматических уравновешенных мостах…....23
7.3. Логометры………………………………………………………
8. Заключение……………………………………………………
9. Список литературы……………………………………………………
- Введение
Термометры сопротивления широко применяют для измерения температуры в интервале от — 260 до 750°С. В отдельных случаях они могут быть использованы для измерения температур до 1000°С.
Действие термометров
сопротивления основано на свойстве
вещества изменять свое электрическое
сопротивление с изменением температуры.
При измерении температуры
Термометры сопротивления
из чистых металлов, получившие наибольшее
распространение, изготовляют обычно
в виде обмотки из тонкой проволоки
на специальном каркасе из изоляционного
материала. Эту обмотку принято
называть чувствительным элементом
термометра сопротивления. В целях
предохранения от возможных механических
повреждений и воздействия
К числу достоинств металлических
термометров сопротивления
При измерении температуры
в промышленных условиях термометры
сопротивления применяют в
2. Основные сведения о термометрах сопротивления и металлах, применяемых для их изготовления
Металлы, предназначенные
для изготовления чувствительных элементов
(ЧЭ) термометров сопротивления, должны
отвечать ряду требований. Они должны
не окисляться и обладать высокой
воспроизводимостью значений электрического
сопротивления в интервале
Температурный коэффициент электрического сопротивления принято определять от 0 до 100°С. Для этого случая выражение (1.1) принимает вид
где R0 и R100 – сопротивления образца данного металла, измеренные соответственно при 0 и 100°С.
Известно, что сплавы обладают
меньшим значением
Приведенным выше основным
требованиям к металлам для изготовления
ЧЭ термометров сопротивления в
широком интервале температур удовлетворяет
платина. Если верхний предел температуры
применения термометра не высок, то указанным
выше требованиям удовлетворяют
также медь и никель. В отдельных
случаях применяют для
3. Платина и изготовляемые из нее термометры сопротивления
Чистая платина отвечает в наибольшей степени всем основным требованиям, предъявляемым к металлам для изготовления ЧЭ термометров сопротивления. Термометры с ЧЭ из платиновой проволоки диаметром от 0,05 до 0,1 мм применяются в лабораторной и промышленной практике для измерения температуры от –260 до +750°С.
При применении платиновых термометров сопротивления для измерения температуры от –260 до –180°С необходимо иметь в виду, что в этом случае приходится измерять весьма малые сопротивления, особенно в нижней части температурного интервала. Поэтому при измерении низких температур платиновыми термометрами сопротивления необходимо применять в комплекте с ними измерительные приборы, которые позволяют измерять с высокой точностью сотые доли Ома.
Платиновые термометры сопротивления
в отдельных случаях
Чистая платина в окислительной
(воздушной) среде устойчива и
длительное время сохраняет свои
градуировочные данные. Однако такие
условия применения платины при
измерении температуры в
К недостаткам платины следует отнести отклонение от линейного закона зависимости ее сопротивления от температуры (рис.1). Однако все другие достоинства платины в достаточной степени искупают указанный недостаток, и позволяют считать платиновый термометр сопротивления наиболее точным из числа первичных преобразователей, предназначенных для измерения температур в той же области.
Платиновые термометры сопротивления в зависимости от их назначения разделяются на следующие три основные группы: эталонные, образцовые (1-го и 2-го разрядов) и рабочие.
Термометры рабочие в свою очередь подразделяются на термометры повышенной точности (лабораторные) и технические.
Рис. Зависимость отношения Rt к R0 для некоторых металлов от температуры
Эталонные платиновые термометры сопротивления служат для воспроизведения международной практической температурной шкалы МПТШ-68 в области температур от 259,34 до 630,74 °С. Относительное сопротивление Wt термометра определяется по формуле
Wt = Rt / R0
где Rt — сопротивление термометра при температуре t, Ом; R0 — сопротивление термометра при температуре 0°С Ом.
Относительное сопротивление термометра должно быть не менее 1,39250 при t = 100°С.
Для области от 0 до 630,74°С температуру t в градусах Цельсия рассчитывают по уравнению
Где
здесь R (t') и R0 –
сопротивления термометра при
температуре t' и 0°С соответственно,
Ом; α и δ — константы,
Последнее уравнение эквивалентно уравнению
где A = α(1+δ/ 100°С); B = -10-4αδ°С-2.
Для области от –259,34 до 0(°С) температуру определяют по формуле
WT=Wст(T) + ∆W(Т)
где WТ – относительное
сопротивление платинового
Поправки ∆W(T) при температурах основных реперных точек получают из измеренных значений WТ и соответствующих значений Wст(T). Поправка ∆W(T) при промежуточных температурах определяют интерполяционными формулами.
До введения МПТШ-68 применялась
шкала МПТШ-48. Чистота платины, из
которой изготовляют эталонный
термометр для воспроизведения
шкалы МПТШ-48 в области от –182,97
до 630,5°С, должна быть такой, чтобы для
него соблюдалось отношение
Для интервала от 0 до 630,5°С МПТШ-48 используется интерполяционная формула
Rt = R0(1+At+Bt2)
где Rt – сопротивление термометра при температуре t, Ом; R0 – сопротивление того же термометра при 0°С, Ом.
Для интервала от –182,97 до 0°С применяется уравнение
Rt = R0 [1 + At + Bt2 + Ct3 (t–100)]
Постоянные A, B и C определяются в точках кипения воды, серы (или в точке затвердевания цинка) и кислорода.
Образцовые платиновые термометры
сопротивления 1-го и 2-го разрядов, применяемые
от –182,97 до +630,5°С, изготовляют из чистой
платины, позволяющей получить для
них отношения сопротивлений R100/R0≥1,392
и R100/R0≥1,391 соответственно. Образцовые
термометры 1-го разряда, поверяемые по
рабочим эталонам, применяют для
поверки образцовых термометров 2-го
разряда, образцовых ртутных термометров,
образцовых медь-константановых термоэлектрических
термометров и для контроля температуры
кипения или затвердевания
Значения сопротивлений образцовых термометров 1-го и 2-го разрядов в свидетельствах указываются с количеством значащих цифр, соответствующим точности градуировки.
Платиновые термометры сопротивления повышенной точности, применяемые для точных измерений температуры, изготовляют из той же платины, что и образцовые термометры. В зависимости от требований, предъявляемых к точности измерения температуры, термометры сопротивления повышенной точности поверяются по методике поверки образцовых термометров 1-го или 2-го разрядов.
Для области температур от
13,8 до 273,15 K применяют образцовые платиновые
термометры ТСПН-1 (погрешность ±0,01
К). Изготовляют также для
Для измерения низких температур в области от –260 до +250°С изготовляют платиновые термометры повышенной точности типа ТСП-4050 и ТСП-8003, пределы допускаемой погрешности которых ±0,2°С, а также типа ТСП-9003 и ТСП-8004, погрешность которых лежит в пределах от –0,05 до +0,1°С.
Технические платиновые термометры
сопротивления типа ТСП предназначаются
для длительного измерения
Термометры ТСП с начальным
сопротивлением R0 = 10 Ом целесообразно
применять для измерения
В целях обеспечения
4. Медь и изготовляемые из нее термометры сопротивления
К достоинствам меди, как материала, применяемого для изготовления чувствительных элементов технических термометров сопротивления типа ТСМ, следует отнести дешевизну, простоту получения тонкой проволоки в различной изоляции, возможность получения проводниковой меди высокой чистоты. Температурный коэффициент электрического сопротивления проводниковой меди лежит в пределах от 4,2•10-³ до 4,27•10-³ °С-¹.
Зависимость электрического сопротивления меди от температуры в широком интервале температур подчиняется уравнению
Rt = R0(l +αt)
где Rt и R0 – сопротивления
данного образца меди (чувствительного
элемента медного термометра) соответственно
при температуре t и 0°С; α – температурный
коэффициент электрического сопротивления,
характерный для данного
Температурный коэффициент сопротивления α определяют из значений сопротивлений R0 и Rt чувствительного элемента медного термометра, измеренных соответственно при точке таяния льда и температуре кипения воды. Медная проволока, применяемая для изготовления чувствительных элементов медных термометров ТСМ, имеет температурный коэффициент сопротивления α = 4,26•10-3 °С-1.
Линейный характер зависимости
сопротивления меди от температуры
является ее достоинством. К числу
недостатков меди следует отнести
малое удельное сопротивление (ρ=1,7•10-8Ом•м)
и интенсивную окисляемость при
невысоких температурах. В атмосфере
инертных газов медь ведет себя устойчиво
при более высоких
Медные термометры сопротивления
типа ТСМ могут применяться для
длительного измерения
Из медной проволоки приборостроительная промышленность изготовляет термометры сопротивления типа ТСМ только 3-го класса точности.
5. Никель и изготовляемые из него термометры сопротивления
Основным достоинством никеля
является то, что он обладает высоким
температурным коэффициентом
Вследствие указанных выше причин термометры сопротивления с ЧЭ из никелевой проволоки могут быть использованы для измерения температур не выше 180–200°С.
Для изготовления ЧЭ никелевых термометров сопротивления для температур от –10 до +180°С может быть использована проволока из никеля марки НПО. Электрическое сопротивление термометра с ЧЭ из этой марки никеля в интервале температур –10 ≤ t ≤ 180°С может быть вычислено по формуле
Rt = R0(1+At+Bt²)
где Rt, R0 — сопротивление чувствительного элемента термометра соответственно при температуре t и 0°С, Ом;
A = 5,86•10-3°С-1; В = 8•10-6°С-2.
Отношение сопротивлений R100/R0 ЧЭ термометра должно находиться в пределах 1,664 – 1,668. Максимальное отклонение значения сопротивления чувствительного элемента термометра при температуре t не должно превышать, Ом:
∆R = ±(0,3+8,0•10-3)(R100 – R0)100-1.
При этом отклонение сопротивления чувствительного элемента термометра при 0°С от его номинального значения (например, R0 = 100 Ом) должно быть ±0,3(R100 – R0) 100-1 Ом.
6. Устройство платиновых и медных термометров сопротивления
Опыт эксплуатации
термометров сопротивления
При изготовлении ЧЭ медных
термометров сопротивления, обладающих
достаточной надежностью и
При создании же ЧЭ платиновых
термометров сопротивления
Слюда пригодна для платиновых термометров с верхним пределом их применения до 500 – 650°С. При температуре выше 700°C слюда разбухает, становится хрупкой, а при более высокой температуре из нее выделяется связанная кристаллизационная вода. Кроме того, слюда при температуре около 800°C становится опасной для платины из-за восстановительного действия кремнезема. В силу указанных обстоятельств платиновые термометры с чувствительным элементом на слюдяном каркасе применяют в промышленных условиях до 400 – 500°С, а в лабораторной практике до 650°С.
Каркасы из кварца широко применяются,
так как плавленый кварц
Каркасы из специальной керамики,
изготовляемой на основе окиси алюминия,
применены в конструкциях ЧЭ технических
платиновых термометров сопротивления.
Каркасы из такой керамики обладают
высокой механической прочностью, хорошей
теплопроводностью и малой
Выводные проводники, соединяющие ЧЭ платинового термометра с его зажимами, в зависимости от назначения термометра и диапазона измеряемой температуры выполняют из меди (до 150°С), серебра (до 400°С), золота (до 700°С), платины или специального сплава. При выборе того или иного материала для выводных проводников необходимо учитывать свойство платины реагировать при высоких температурах со многими веществами, находящимися вблизи и особенно в непосредственном контакте с ней. Указанное обстоятельство необходимо также учитывать при пайке выводных проводников к концам платиновой обмотки ЧЭ.
Для термометров сопротивления
эталонных, образцовых и повышенной
точности выводные проводники применяют
только из платиновой проволоки. При
этом к каждому концу платиновой
обмотки чувствительного
Технические термометры сопротивления выпускаются с двумя и четырьмя выводными проводниками, соединяющими ЧЭ термометра с его зажимами. Сопротивление выводных проводников термометров с двумя выводными проводниками при температуре 0°С не должно превышать у платиновых термометров 0,1%, а у медных термометров 0,2% номинальных значений сопротивлений при 0°С.
Чувствительные элементы
термометров сопротивления
На рис. схематично показан платиновый термометр сопротивления П.Г. Стрелкова.
Рис. Схема устройства платинового термометра сопротивления П.Г. Стрелкова. 1 – каркас, 2 – платиновая спираль, 3 – выводы, 4 – оболочка.
У этого термометра каркас, имеющий геликоидальную форму, изготовлен из плавленого кварца. ЧЭ имеет бифилярную обмотку из платиновой проволоки диаметром 0,05—0,1 мм, свернутой в спираль. Снизу петля платиновой спирали закреплена в каркасе. К верхним концам спирали, закрепленным в каркасе, приварены по два выводных проводника из платиновой проволоки диаметром 0,3 мм. ЧЭ помещен в защитную оболочку (гильзу), для изготовления которой применяют плавленый кварц, металл или стекло в зависимости от назначения термометра. Обычно гильза термометра герметична и заполнена сухим гелием, азотом или воздухом при давлении около 0,2 кгс/см² (0,02 МПа) в зависимости от назначения и области измеряемых температур. Диаметр d гильзы равен 5 – 6 мм, а длина ЧЭ L = 50÷100 мм. Для низких температур обычно применяют короткие платиновые термометры.
Платиновые термометры сопротивления П. Г. Стрелкова применяют в качестве эталонных, образцовых 1-го и 2-го разрядов и лабораторных (повышенной точности).
Технические термометры сопротивления, предназначенные для измерения температур в промышленных условиях, выпускаются различных типов. Конструкцию защитной гильзы и монтаж в ней чувствительного элемента термометра выполняют в зависимости от условий его применения, свойства и параметров среды, температура которой должна измеряться термометром.
Рис.Чувствительные элементы платиновых термометров сопротивления на керамическом каркасе с двумя (а) и четырьмя каналами (б).
Чувствительный элемент на керамическом каркасе (рис.) состоит из двух или четырех соединенных последовательно платиновых спиралей 1. К двум верхним концам этих спиралей припаяны короткие платиновые выводы 2 или выводы из сплава иридия с родием (60% родия), к которым привариваются необходимой длины выводные проводники и на них надеваются бусы из керамики. Платиновые спирали помещены в каналы керамического каркаса 4. Крепление платиновых спиралей и выводов в каркасе осуществляется глазурью (или термоцементом) 3, изготовляемой на основе окисей алюминия и кремния. Коэффициент линейного расширения глазури близок к коэффициентам линейного расширения материала выводов и каркаса. Электрическое сопротивление глазури при 500–700°С составляет около 0,5–1 МОм. Подгонка номинального сопротивления ЧЭ R0 при 0°C осуществляется постепенным уменьшением длины нижних концов двух платиновых спиралей с последующей пайкой в точке 5 (рис а).
Пространство между
В четырехканальном каркасе могут быть смонтированы два независимых чувствительных элемента.
Рассмотренная конструкция платиновых термометров сопротивления на керамическом каркасе имеет ряд преимуществ по сравнению с другими типами. В этой конструкции достигнута достаточно хорошая герметичность при незначительном в платине механическом напряжении. ЧЭ имеет небольшие габариты и обладает высокой механической прочностью.
Для повышения верхнего предела
измерения температуры до 1000°С и
выше разработаны возможные варианты
конструкций технических
Для измерения низких температур
в криогенной технике выпускаются
платиновые термометры сопротивления
повышенной точности, например типа ТСП-4054
на четырехканальном керамическом каркасе.
В процессе изготовления ЧЭ из каналов
керамического каркаса
Чувствительный элемент
платиновых термометров сопротивления
типа ТСП-236 и ТСП-246, предназначенных
для измерения температуры