t_foi

Выражая с помощью формул все виды тепловых потерь, уравнение теплового баланса можно представить как

где θa, θср, θcn – температура внешней среды (атмосферы), среды, окружающей преобразователь, и стенок соответственно.

Как видно из уравнения (5.9), температура θ преобразователя зависит от многих параметров:

∙коэффициента теплоотдачи ξ, связанного со скоростью движения окружающей среды;

∙тепловой проводимости среды, определяемой ее свойствами;

∙геометрических форм окружающих тел и удаленности их от преобразователя.

Выделив соответствующий эффект и сделав пренебрежимо малыми остальные, тепловые преобразователи можно использовать для измерения температуры среды, скорости ее движения, концентрации вещества (вакуум), изменяющего теплопроводность среды, и перемещения.

5.2. Терморезисторы

Принцип действия этих преобразователей основан на зависимости электрического сопротивления проводников или полупроводников от температуры. Между терморезистором и исследуемой средой в процессе измерения происходит теплообмен. Так как терморезистор включен в электрическую цепь, с помощью которой производят измерение его сопротивления, то по нему протекает ток, выделяющий в нем теплоту. Теплообмен терморезистора со средой происходит

100

из-за теплопроводности самого терморезистора, теплопроводности среды и конвекции в ней, а также из-за излучения. Интенсивность теплообмена, а следовательно, и температура терморезистора зависят от его геометрических размеров и формы, от конструкции защитной арматуры, состава, плотности, теплопроводности, вязкости и других физических свойств газовой или жидкой среды, окружающей терморезистор, а также от температуры и скорости перемещения среды. Для преобразований температуры используют материалы, обладающие высокой стабильностью температурного коэффициента сопротивления (ТКС), высокой воспроизводимостью электрического сопротивления для данной температуры, значительным удельным электрическим сопротивлением и высоким ТКС, стабильностью химических и физических свойств при нагревании, инертностью к воздействию исследуемой среды.

Проводниковые терморезисторы. Для измерения температуры наиболее распространены терморезисторы, выполненные из медной или платиновой поволоки. Стандартные платиновые терморезисторы применяют для измерения температуры от 13 К (–260 oС) до 1400 К (1100 oС), медные – в диапазоне от 73 К ( –200 oС) до 500 К (200 oС) (ГОСТ 6651-78).

Конструкция платинового терморезистора имеет следующие элементы. В каналах керамической трубки расположены две (или че-

тыре) секции спирали из платиновой проволоки (d ³ 1 мкм), соединенные между собой последовательно. К концам спирали приваривают выводы, используемые для включения терморезистора в измерительную цепь. Каналы трубки засыпают порошком безводной оки-

101

си алюминия, выполняющего роль изолятора и фиксатора спирали. Порошок оксида алюминия, имеющий хорошую теплопроводность и малую теплоемкость, обеспечивает хорошую теплопередачу и малую инерционность терморезистора. Для защиты от механических и химических воздействий внешней среды его помещают в защитную арматуру из нержавеющей стали.

Начальные сопротивления (при 273 К или 0 oС) платиновых терморезисторов равны 1, 5, 10, 46, 50, 100 и 500 Ом, медных – 10, 50, 53 и 100 Ом. Допустимое значение тока, протекающего через терморезистор при включении его в измерительную цепь, должно быть таким, чтобы изменение сопротивление терморезистора за счет электрического нагрева не превышало 0.1% начального сопротивления.

Температурная зависимость сопротивления платины в диапазо-

где Rθ, R0 – сопротивления преобразователя при q и 0 °С; A и В – постоянные коэффициенты (для платиновой проволоки, применяемой в промышленных преобразователях температуры, А = 3,9702×10-3 1/К,

В= –5,8893×10-7 1/К2); q – температура в градусах Цельсия.

Винтервале температур от 0 до -200 °С зависимость сопротивления платины от температуры имеет вид

где С = –4,356×10-12 1/К3 – постоянный коэффициент.

К недостаткам платиновых преобразователей температуры относится довольно высокая загрязняемость платины при высоких тем-

102

пературах парами металлов (особенно железа), сравнительно невысокая химическая стойкость в восстановительной среде, вследствие чего она становится хрупкой, теряет стабильность характеристик.

Медь благодаря своей низкой стоимости и довольно высокой стойкости к коррозии широко применяется в преобразователях температуры в диапазоне от –50 до +180 °С. Температурный коэффици-

ент сопротивления меди aθ = 1/234,7 1/К, зависимость электрического сопротивления от температуры линейная:

К недостаткам медных преобразователей температуры относится высокая окисляемость меди при нагревании, вследствие чего они применяются в указанном сравнительно узком диапазоне температур в средах с низкой влажностью и при отсутствии агрессивных газов.

Кроме платины и меди для чувствительных элементов преобразователей температуры применяют никель, вольфрам и другие чистые металлы (табл. 5.1).

Никель – химически стойкий материал даже при высоких температурах, однако имеет сложную зависимость сопротивления от температуры и невысокую ее воспроизводимость. В диапазоне температур от –50 до +180 °С температурная зависимость сопротивления никеля следующая:

где А, В – постоянные коэффициенты, А = 5,5×10-3 К-1, В = 6,4×10-6 К-2;

С = 0,69×10-8 К-3.

103

Тугоплавкие металлы – вольфрам, молибден, тантал и ниобий – имеют ограниченное применение. Влияние рекристаллизации и роста зерен в результате действия температуры делает чувствительный элемент из этих материалов хрупким и поэтому очень чувствительным к механическим вибрациям.

Таблица 5.1

Некоторые физические свойства материалов терморезистивных преобразователей (при 20 °С)

Термисторы. Для измерения температуры применяют также полупроводниковые терморезисторы (термисторы) различных типов, которые характеризуются большой чувствительностью (ТКС термистора отрицательный и при 20 oС в 10-15 раз превышает ТКС меди и платины) и более высоким сопротивлением (до 1 МОм и более) при весьма малых размерах. Недостаток термисторов – плохая воспроизводимость и нелинейность характеристики преобразования (рис. 5.2):

104

где RT и R0 – сопротивления термистора при температурах T и Т0 в кельвинах; В – экспериментально определяемый коэффициент; Т0 – начальная температура рабочего диапазона.

R

Т

Рис. 5.2. Зависимость сопротивления полупроводникового терморезистивного преобразователя от температуры

Существует много разновидностей полупроводниковых терморезисторов (см. табл. 5.2), отличающихся конструктивными и техническими параметрами. Это стержневые полупроводниковые терморезисторы, покрытые эмалью (ММТ-1, КМТ-1) и герметизированные металлической капсулой (ММТ-4, КМТ-4), каплевидные полупроводниковые терморезисторы, герметизированные стеклом (СТЛ-19, СТЗ-19), и др. Номинальные значения сопротивлений терморезисторов имеют допуск ± 20 %.

Терморезисторы могут быть изготовлены самой разнообразной формы. На рис. 5.3. показано устройство терморезистора типа ММТ-1 и КМТ-1, который представляет собой полупроводниковый стержень, покрытый эмалевой краской, с контактными колпачками и выводами. Данный тип терморезисторов может быть использован лишь в сухих помещениях.

Термисторы используют в диапазоне температур от единиц до 700 К. Для измерения температур в диапазоне от –80 0С до 150 0С

105

применяют термодиоды и термотранзисторы, у которых под действием температуры изменяется сопротивление p-n–перехода и происходит падение напряжения на этом переходе.

Рис. 5.3. Терморезистор типа ММТ-1 и КМТ-1

Чувствительность термотранзистора по напряжению составляет от 1,5 до 2 мВ/К, что значительно превышает чувствительность стан-

106

дартных термопар. Достоинством термодиодов и термотранзисторов является высокая чувствительность, малые размеры, малая инерционность, высокая надежность и дешевизна; недостатком – узкий температурный диапазон и плохая воспроизводимость статической характеристики преобразования.

Терморезисторы применяют для измерения степени разряженности или вакуума, а также для анализа газовых смесей.

Вприборах для газового анализа (газоанализаторах) для измерения теплопроводности используют перегретый платиновый терморезистор, помещенный в камеру с анализируемым газом. Конструкция терморезистора, арматуры и камеры, а также значение нагревающего тока I выбирают такими, чтобы теплообмен со средой осуществлялся в основном за счет теплопроводности газовой среды.

Впоследнее время появилась и быстро развивается еще одна разновидность тепловых приемников, основанная на пироэлектрическом эффекте. Он свойствен некоторым кристаллическим диэлектрикам и заключается в том, что при нагревании изменяется спонтанная поляризация и за счет этого на их противоположных поверхностях появляются заряды противоположных знаков (BaTi03, LiNbO3, триглицинсульфат). При падении на такой диэлектрик переменного (модулированного) потока излучения в замкнутой цепи, соединяющей эти поверхности, возникает электрический ток. Особенно велик данный эффект при температурах, близких к точке Кюри, при которой происходит переход от сегнетоэлектрической фазы к несегнетоэлектрической. Пироэлектрический эффект тем больше, чем быстрее изменяется температура.

107

Эффект теплового расширения пьезокварца может быть также использован для измерения температуры. Классическим применением кварца является создание генераторов с очень высокой стабильностью, в частности, температурной. Для этого пластинку кварца выбирают с такой кристаллографической ориентацией, при которой влияние изменения температуры на частоту кварцевого генератора минимально. При использовании кварца в качестве датчика температуры, наоборот, пластинку вырезают с такой кристаллографической ориентацией, при которой частота генератора является квазилинейной функцией температуры. Диапазон температур таких датчиков от –80 до +250 0С, чувствительность 1000 Гц/0С, разрешающая способ-

ность 0.0 001 0С.

5.3. Термоэлектрические преобразователи

Принцип действия термоэлектрического преобразователя (термопары) основан на использовании термоэлектрического эффекта Зеебека. Сущность этого явления состоит в следующем. Если составить цепь из двух различных проводников или полупроводников А и В, соединив их между собой концами (рис. 5.4.), причем температуру

θ1 одного места соединения сделать отличной от температуры θ0 другого, то в цепи потечет ток под действием ЭДС, называемой термоэлектродвижущей силой (термо-ЭДС) и представляющей собой разность функций температур мест соединения проводников:

108

Подобная цепь называется термоэлектрическим преобразователем, или термопарой; проводники, составляющие термопару, – термоэлектродами, а места их соединения – спаями.

Рис. 5.4. Термоэлектрический преобразователь

Спай термопары, помещаемый в исследуемую среду, называют рабочим, или горячим, а концы, температура которых поддерживается обычно постоянной, – свободными, или холодными.

У любой пары однородных проводников значение термо-ЭДС зависит только от природы проводников и от температуры спаев и не зависит от распределения температуры вдоль проводников. Термоэлектрический контур можно разомкнуть в любом месте и включить в него один или несколько разнородных проводников. Если все новые соединения находятся при одинаковой температуре, то не возникает никаких паразитных термо-ЭДС.

Можно разомкнуть контур в месте контактирования термоэлектродов А и В и вставить дополнительный проводник С между ними (рис. 5.5. а). Значение термо-ЭДС E в этом случае определится согласно второму закону Кирхгофа для замкнутой цепи как

E = EAB(θ1) + EBC(θ0) + ECA(θ0) = EAB(θ1) + EBA(θ0) = EAB(θ1) – EAB(θ0). (5.16)

109