3.5. Термопреобразователи сопротивления

Принцип действия термопреобразователей сопротивления ос­нован на использовании зависимости электрического сопротив­ления проводников и полупроводников от температуры. У боль­шинства чистых металлов с ростом температуры сопротивление увеличивается приблизительно на 0,4 % на 1 град.

Зная зависимость сопротивления от температуры, можно су­дить о температуре среды, в которой находится термометр. Из­мерительный комплект состоит из термопреобразователя сопро­тивления, вторичного прибора, подсоединительных проводов, источника питания. Чаще всего применяют металлические тер­мопреобразователи сопротивления, чувствительные элементы которых изготовляют из чистых металлов.

Металлы для термопреобразователей сопротивления должны обладать следующими свойствами: не окисляться и не вступать в химическое взаимодействие с измеряемой средой; иметь боль­шой и по возможности постоянный температурный коэффициент электрического сопротивления; изменять свое сопротивление с изменением температуры по прямой или плавной кривой; иметь большое удельное сопротивление; легко технологически производиться. Наиболее полно указанным требованиям отве­чают платина и медь.

Помимо металлов для термопреобразователей сопротивления применяются полупроводниковые материалы, которые изготов­ляют из смесей оксидов меди, марганца, магния, никеля, ко­бальта и других металлов. Смеси двух-трех оксидов со связы­вающими добавками спекают и придают им нужную форму (цилиндра, шайбочек, бусинок). В торцы таких элементов за­делывают контакты.

Платиновые термопреобразователи сопротивления. Они бы­вают технические, образцовые и эталонные. Технические термопреобразова-тели типа ТСП выпускаются для измерения темпе­ратуры от —200 до +650 °С. Чувствительный элемент этих тер­мопреобразователей представляет собой платиновую спираль 1 (рис. 3.9), расположенную в четырех капиллярных керамиче­ских трубках (каналах) каркаса 3, заполненных керамическим порошком 2, который служит изолятором и создает эффект подпружинивания спиралей. Спираль, в свою очередь, соединяется с выводами 4. Чувстви­тельный элемент помещают в герметичную защитную алюми­ниевую трубку, свободное сечение которой по всей длине чув­ствительной части заполнено оксидом алюминия. Собранный элемент термопреобразова-теля помещается еще в одну наруж­ную трубку с заваренным дном, имеющую штуцерную гайку и головку, в которой расположена контактная колодка с зажи­мами для проводов, соединяющих термопреобразователь с из­мерительным устройством.

Рис. 3.9. Чувствительный элемент платинового термопреобразователя

сопротивления

Платиновые технические термопреобразователи сопротивле­ния выпускаются трех градуировок:

Обозначение градуировки Гр. 20 Гр. 21 Гр. 22 Сопротивление , R₀ Ом 10 46 100

Допустимые отклонения R₀ при О °С у технических термо-преобразователей класса 1 составляют ± 0,05%, класса 2 — 0,1 %.

Медные термопреобразователи сопротивления. Эти термо­преобразователи (типа ТСМ) имеют чувствительный элемент в виде бескаркасной безындукционной намотки из медной проволоки диаметром 0,08 мм, покрытой фторопла­стовой пленкой. К намотке припаяны два вывода. Для обеспечения виброустойчивости чувствительный элемент поме­щают в тон-костенную металлическую гильзу, которую засы­пают керамическим по-рошком и герметизируют. Гильзу поме­щают во внешний защитный чехол с заваренным дном, имею­щим штуцерную гайку и головку.

Медные технические термопреобразователи сопротивления бывают двух градуировок:

Обозначение градуировки Гр. 23 Гр. 24

Сопротивление, R₀ Ом 53 100

Платиновые и медные термопреобразователи сопротивления отечественного производства выпускаются со строго определен­ными значениями сопротивления, обеспечивающими их взаимо­заменяемость. Внешний вид и размеры этих приборов такие же, как и у термоэлектрических термометров (см. рис.3.6).

Полупроводниковые термопреобразователи сопротивления находят широкое применение в пищевых производствах. Они предназначены для измерения температуры от —90 до +180 °С. Полупро­водниковые термо-преобразователи сопротивления называются термисторами и терморезис-торами. При 50 °С и ниже термо­резисторы обладают значительно большим (в 5—10 раз) тем­пературным коэффициентом электрического сопротивления, чем металлы, и вследствие этого намного превосходят по чувстви­тельности медные и платиновые термометры сопротивления. Терморезисторы подразделяются на кобальто-марганцевые (типа КМТ) и медно-марганцевые (типа ММТ). Устройство стержневого полупроводникового сопротивления показано на рис. 3.10. Полупроводниковый элемент стержневого полупроводникового сопротивления покрыт снаружи эма­левой краской, имеет на концах контактные колпачки, к кото­рым припаяно два вывода. Полупроводник, обмотанный ме­таллической фольгой 3, помещен в защитный металлический че­хол 5, в верхней части которого имеется стеклянный изолятор 4. Термосопротивление имеет диаметр 4 мм и длину 20 мм. Ши­рокое внедрение терморезисторов в промышленность ограничи­вается слабой воспроизводимостью свойств полупроводников, что исключает их взаимозаменяемость.

Э лектрические платиновые и медные термопреобразователи сопротивления являются одними из основных измерительных устройств при осуществлении автоматизации технологических процессов пищевых производств. Применяются для измерения температуры в диффузи-онных и выпарных установках сахар­ного производства, в дезодорато-

Рис. 3.10. Стержневой полупровод- Рис. 3.11. Магнитоэлектрический

никовый термопреобразователь логометр

сопротивления

рах, барометрических конденса­торах, холодильных барабанах масложи-рового производства, в темперирующих машинах кон­дитерского произ-водства, в ва­куум-аппаратах и сушилках ма­каронного производства, в муч­ных силосах и пекарных камерах хлебопекарного и кондитерского производств.

Полупроводниковые термопреобразователи сопротивления применяются в системах темпе­ратурной компенсации, в сигна­лизаторах и регуляторах темпе­ратуры, автоматических уста­новках контроля температуры плавления саломаса при гидрогенизации жиров.

Вторичные приборы термопреобразователей сопротивления. В качестве вторичных приборов для измерения сопротивления термопреобразователя применяются логометры, уравновешен­ные и неуравновешенные мосты.

Логометры. Принцип рабо­ты их основан на взаимодействии тока, про­текающего через рамки подвижной системы, с полем постоянного магнита. Упрощенная схема логометра приведена на рис. 3.11. Подвижная часть прибора состоит из двух скрещенных рамок 1 и 2, жестко скреплен­ных друг с другом и со стрелкой. Рамки могут перемещаться в зазоре переменной ши­рины, образованной цилиндрическим сердеч­ником С и полюсными наконечниками N и S. Вся подвижная система укрепляется по цент­ру сердечника. Питание рамок осуществляется от общего ис­точника постоянного тока Б. . Направле­ние токов через рамки 1 и 2 таково, что они создают в рамках встречно направленные моменты сил. Угол поворота подвижной системы зависит от отношения сил токов, про­текающих в рамках. Если сопротивление термопреобразователя изменится вследствие нагрева (или охлаждения), через одну из рамок потечет ток большей силы и равновесие моментов нару­шится. Подвижная система будет поворачиваться в сторону большего момента. При этом рамка, по которой течет ток боль­шей силы, переходит в место, где поле более слабое, а момент, действующий на рамку, уменьшается. Другая рамка в это время поворачивается в том же направлении, входит в место, где поле более сильное, и вращающий момент ее увеличивается. Рамки перестанут вращаться, когда их вращающие моменты сравня­ются. Стрелка будет отклонена на угол, пропорциональный из­менению сопротивления термопреобразователя и, следовательно, его температуре. Это позволяет градуировать шкалу логометра в градусах. При этом необходимо иметь в виду, что темпера­турная шкала действительна только для определенной градуи­ровки термопреобразователя сопротивления. Для переносных приборов класс точности составляет 0,2; 0,5; 1; а для щито­вых— 0,5; 1; 1,5; 2; 2,5. Логометры могут быть показывающими, самопишущими, многоточечными (до 12 точек измерения), а также иметь устройства для позиционного регулирования, сиг­нализации и др.

В автоматических уравновешенных мостах используется, как отмечалось выше, из­мерительная схема уравновешенного четырехплечего моста с реохордом.

Автоматические уравновешенные мосты, как и потенцио­метры, подразделяются по конструктивному оформлению на по­казывающие (КПМ1, КВМ1); показывающие и самопишущие с ленточной диаграммой (КСМ1, КСМ2, КСМ4); показывающие и самопишущие с дисковой диаграммой (КСМЗ). Приборы этих типов могут применяться также для сигнализации или регули­рования температуры, если они имеют дополнительные уст­ройства.

Значительное распространение в пищевой промышленности получили мосты КСМ1, КСМ2, КСМЗ, КСМ4, которые, как и потенциометры КСП, построены по блочному принципу с широ­ким применением модулей.

Мосты, предназначенные для работы в комплекте с термо­преобразователями сопротивления, выпускаются с градуиров­кой шкалы в градусах. При этом такая шкала дей­ствительна только для термопреобразо-вателя сопротивления оп­ределенной градуировки и заданного сопротивления внешней соединительной линии.

Автоматические уравновешенные мосты являются техниче­скими приборами классов точности 0,25; 0,5; 1; 1,5.

Установка приборов. Термопреобразователи сопротивления, как и термоэлектрические преобразователи, можно устанавливать в любом положении на глубину 150—1900 мм. При этом чув­ствительный элемент должен полностью погружаться в контро­лируемую среду, а середина активной части его соответствовать точке измерения температуры (рис. 3.12, а). При измерении температуры среды в трубопроводах небольшого диаметра или в колене термопреобразователь устанавливают наклонно (рис. 3.12, б, в), но в обоих случаях навстречу потоку. Важным требованием при установке термометра является предуп­реждение утечки тепла от чувствительного элемента через ар­матуру или лучеиспусканием и притока тепла к чувствитель­ному элементу от более нагретых поверхностей.

Мосты и логометры устанавливают в доступных и хорошо освещенных местах, защищенных от действия вибраций, высо­ких температур (не более 50 °С), пыли, влаги (не выше 80%) и агрессивных газов. Логометр питается от электросети, допус­кающей одновременное присоединение нескольких приборов.

Рис. 3.12. Установка термопреобразователя сопротивления или термоэлектрического преобразователя

3.6. Пирометры излучения

Действие пирометров излучения основано на измерении из­лучаемой телом энергии, зависящей от его температуры и фи­зико-химических свойств. Такие свойства нагретых тел, как яркость и радиа­ция, используются для измерения температуры пирометрами из­лучения, которые по принципу действия подразделяются на яркостные (оптические), фотоэлектрические и радиационные.

Яркостные пирометры действуют по методу сравнения ярко­сти двух тел: тела, температура которого измеряется, и эталон­ного тела (нити лампы накаливания с регулируемой яркостью). Оценка яркости при этом производится глазом наблюдателя. Промыш­ленностью выпускаются яркостные пиро-метры с ис­чезающей нитью для изме­рения температур от 880 до нескольких тысяч градусов.

Фотоэлектрические пирометры отличаются от оптических тем, что оценка яркости производится не глазом наблюдателя, а с помощью фотоприемников — фотоэлементов или фотоумножи­телей. Действие фото-электрического пирометра основано на свойствах фотоэлемента изменять возникающий в нем фототок пропорционально световому потоку. Предел измерения температуры такими приборами 800…4000 °С.

Радиационные пирометры действуют по принципу измерения мощности излучения нагретого тела. Испускаемые нагретым телом лучи фокусируются с помощью оптической системы и воспринимаются тепло-приемником, состоящим из нескольких последователь­но соединенных термопреобра­зователей (термобатарея), термометра сопротивления и измерительных приборов (мил­ливольтметров, автоматиче­ских потенциометров и урав­новешенных мостов). Корпус с оптической системой, теплоприемником и другими устрой­ствами называют телескопом радиационного пирометра.

По термоЭДС, раз­виваемой этими термопреобразователями, определяется вели­чина измеряемой температуры. Расстояние между излучающим телом и телескопом принимают 0,8—1,3 м. Предел измерения температуры 20…3000 °С.

Радиационные пирометры могут быть установлены стацио­нарно с применением дистанционной передачи, автоматической записи и регулирования температуры.