Термометры сопротивления

Министерство образования  и науки РФ

Федеральное государственное  бюджетное образовательное учреждение

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                                              Васильев А.О.                                                                                       

Проверил                                                                                   Ярулин  И. Р.

 

 

 

Уфа 2012 
Содержание

1.Введение…………………………………………………………………...3

2. Основные сведения о термометрах сопротивления и металлах, применяемых для их изготовления………………………………………...5

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……………………………………………………………....21

7.1. Автоматические компенсационные приборы для работы с малоомными термометрами сопротивления……………………………………………..21

7.2. Общие сведения об автоматических уравновешенных мостах…....23

7.3. Логометры……………………………………………………………...24

8. Заключение……………………………………………………………….27

9. Список литературы……………………………………………………...28

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. 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 термометр  сопротивления погружают в среду, температуру которой необходимо определить. Зная зависимость сопротивления  термометра от температуры, можно по изменению сопротивления термометра судить о температуре среды, в  которой он находится. При этом необходимо иметь в виду, что длина чувствительного  элемента у большинства термометров  сопротивления составляет несколько  сантиметров, и поэтому при наличии  температурных градиентов в среде  термометром сопротивления измеряют некоторую среднюю температуру  тех слоев среды, в которых  находится его чувствительный элемент.

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 среды, температура которой измеряется термометром, чувствительный элемент  его заключают в специальную  защитную гильзу.

К числу достоинств металлических  термометров сопротивления следует  отнести: высокую степень точности измерения температуры; возможность  выпуска измерительных приборов к ним со стандартной градуировкой шкалы практически на любой температурный  интервал в пределах допустимых температур применения термометра сопротивления; возможность централизации контроля температуры путем присоединения  нескольких взаимозаменяемых термометров  сопротивления через переключатель  к одному измерительному прибору; возможность  использования их с информационно-вычислительными  машинами.

При измерении температуры  в промышленных условиях термометры сопротивления применяют в комплекте  с логометрами, автоматическими  уравновешенными мостами и автоматическими  компенсационными приборами. При этом необходимо иметь в виду, что эти приборы снабжают шкалой, отградуированной в градусах Цельсия, которая действительна только для определенной градуировки термометра сопротивления и заданного значения сопротивления проводов, соединяющих термометр с измерительным прибором.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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 рабочих  температур. Выбранный металл в диапазоне  применяемых температур должен иметь  монотонную зависимость сопротивления  от температуры R = f (t) и достаточно высокое  значение температурного коэффициента сопротивления α. Этот коэффициент  в общем виде может быть выражен  равенством:

 

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 температурного коэффициента сопротивления. Кроме  того, воспроизводимость свойств  сплавов далеко недостаточна по сравнению  с чистыми металлами. Исследования показывают, что чем чище металл (при отсутствии в нем механических напряжений), тем лучше у него воспроизводимость термометрических свойств и больше значения отношения R100/R0 и α. Поэтому чистые металлы, предназначенные для изготовления взаимозаменяемых ЧЭ термометров сопротивления, должны иметь нормированную и  при этом высокую чистоту. Следует  указать, что значение R100/R0, так же как и α, являются общепринятыми  показателями степени чистоты данного  металла и наличия в нем  механических напряжений. Для снятия механических напряжений в данном металле  применяют определенные режимы отжига. При этом значение отношения R100/R0, а  следовательно, и температурного коэффициента сопротивления образца возрастают до их предельного значения для данного  металла.

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 изготовления ЧЭ термометров сопротивления, но с  ограниченной областью их использования, и другие металлы, например железо, вольфрам и молибден.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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 используются для измерения и более высоких  температур, например, в метрологической  практике до 1065°С. При этом необходимо учитывать, что платина при высокой  температуре (близкой к 1000°С) начинает распыляться. Поэтому для уменьшения влияния распыления платины, а следовательно, и увеличения срока службы чувствительный элемент термометра сопротивления, предназначенный для измерения  температуры до 1100°С, изготовляют  из платиновой проволоки диаметром  около 0,5 мм.

Чистая платина в окислительной (воздушной) среде устойчива и  длительное время сохраняет свои градуировочные данные. Однако такие  условия применения платины при  измерении температуры в практических условиях не всегда могут быть обеспечены. Поэтому чувствительный элемент  термометра должен быть надежно защищен  от возможного механического повреждения, попадания влаги, загрязнения платины, губительного действия на нее восстановительных  и агрессивных газов, содержащихся в среде, температуру которой  измеряют термометром.

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, определяемые  измерением сопротивления термометра  в тройной точке воды, точке  кипения воды или затвердевания  олова и точке затвердевания  цинка.

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 термометра; Wcт (Т) – относительное сопротивление, соответствующее стандартной функции.

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 сопротивлений R100/R0 ≥ 1,392.

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 веществ, применяемых при поверке термометров. Образцовые термометры сопротивления 2-го разряда служат для поверки  рабочих термометров.

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 указанной  области температур платиновые термометры повышенной точности ТСПН-2А и ТСПН-Б, различающиеся между собой защитными  гильзами, в которых находятся  чувствительные элементы.

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 температуры  от –200 до 650°С. Термометры сопротивления  этого типа изготовляются двух классов (1-го и 2-го) с номинальными значениями сопротивлений при 0°С (R0) равными 10; 46; 100 Ом, которым присвоено обозначение  градуировки соответственно гр20, гр21 и гр22.

Термометры ТСП с начальным  сопротивлением R0 = 10 Ом целесообразно  применять для измерения температуры  выше 200°С. При этом имеется в виду, что термометр сопротивления  присоединяется к измерительному прибору  по трехпроводной схеме. В тех  случаях, когда термометр используется для измерения низких температур (ниже 0°С), рекомендуется применять  высокоомные термометры с R0 = 46 Ом, а  в некоторых случаях с R0 = 100 Ом. При применении высокоомных термометров  при прочих равных условиях изменение  показаний измерительного прибора  вследствие изменения сопротивления  соединительных проводов (при двух- или трехпроводной схеме включения  термометра), под влиянием температуры  окружающего воздуха, будет значительно  меньше, чем при использовании  низкоомных термометров сопротивления.

В целях обеспечения взаимозаменяемости технических термометров типа ТСП  установлены допуски на отклонения сопротивления чувствительного  элемента термометра при 0°С (R0) от номинального значения и отношения сопротивлений R100/R0. Для термометров ТСП класса 1 допустимое отклонение сопротивления  чувствительного элемента R0 от номинального значения не должно превышать ±0,05%, а для термометров класса 2 –  ±0,1 %. Отношения сопротивлений R100/R0 установлены равными 1,391 ± 0,0007 для  термометров класса 1 и 1,391 ± 0,001 для  термометров класса 2