Измерение температуры. Измерять температуру можно только косвенным путем, основываясь на зависимости от температуры количественных характеристик объектов

Измерять температуру можно только косвенным путем, основываясь на зависимости от температуры количественных характеристик объектов, которые поддаются непосредственному измерению. К таким характеристикам относят длину, объем, плотность, термоэлектродвижущую силу, электрическое сопротивление и т. д. Указанную особенность называют термометрическим свойством, а вещества, обладающие ими, называют термометрическими веществами.

Температуру измеряют контактным (с помощью термометров сопротивления, манометрических термометров и термометров термоэлектрических) и бесконтактным (на основе собственного теплового или оптического излучения объекта измерения) методами. Приборы бесконтактного измерения температуры называют радиометрами и пирометрами.

Наиболее высокая точность измерений температуры достигается при контактных методах измерений.

По принципу действия термометры разделяют на механические, электромеханические и электрические термометры.

Таблица 4. Наиболее распространенные промышленные средства измерений температуры

К механическим термометрам относят термометры, действие которых основано на расширении твердых и жидких веществ и на изменении давления газов и жидкостей, находящихся в замкнутых объемах.

Изменение объема веществ при нагревании является основой волюметрического метода измерения температуры.

Термометры, в которых используется принцип удлинения тел при нагревании, называются дилатометрическими.

Это самые массовые средства измерения температуры - волюметрическими термометрами измеряют температуру тела и температуру воздуха, дилатометрический датчик температуры есть в каждом домашнем холодильнике.

Основными представителями волюметрического метода являются жидкостные термометры.

Работа жидкостных термометров расширения основана на неодинаковом расширении при нагреве их оболочки и находящейся в ней термометрической жидкости. Такие термометры состоят из прозрачного баллончика с припаянной к нему капиллярной трубкой и шкалы, которую часто наносят непосредственно на капиллярную трубку. Оболочку и капиллярную трубку изготовляют из стекла или кварца, а жидкостями для них обычно служит спирт или ртуть, реже толуол или пентан. Поскольку коэффициент объемного расширения указанных жидкостей в 15…30 раз больше чем коэффициент расширения стекла или кварца, то приращение температуры приводит к вытеснению жидкости из оболочки в капиллярную трубку и перемещению мениска в капиллярной трубке. По положению мениска относительно шкалы прибора устанавливают значение температуры. В ряде случаев для более точных измерений уровень термометрической жидкости измеряется с использованием зрительной трубы, положение которой можно изменять вдоль направления расположения капилляра. Зрительная труба такого термометра имеет шкалу с нониусом, что позволяет проводить точные измерения.

В таблице 5 приведены значения диапазонов измерений для жидкостных термометров.

Таблица 5.

Жидкостные термометры выпускают с ценой деления от 0,1 ⁰С до 0,5 ⁰С (лабораторные термометры) и от 1,0 ⁰С до 10 ⁰С (технические термометры). Погрешность измерения от 0,2 до 10 градусов.

К недостаткам жидкостных термометров относятся: невозможность дистанционных измерений и определения температуры в точке поверхности, большая инерционность, чувствительность к ударам и вибрациям (малая механическая прочность).

Основные технические характеристики, конструктивные особенности жидкостных стеклянных термометров устанавливает ГОСТ 28498.

Дилатометрический термометр выполняют в виде металлической трубки с большим температурным коэффициентом линейного расширения и стержня (например, фарфорового) с малым коэффициентом расширения, расположенного на оси трубки и жестко связанного с одним из его концов. Разность перемещений конца трубки и стержня, вызванная изменением температуры, воспринимается рычажно–зубчатым механизмом и передается на отсчетное устройство.

Разновидностью дилатометрических контактных термометров являются приборы с датчиками в виде биметаллических пластин, изготовленных из двух металлов с различными температурными коэффициентами расширения. При изменении температуры биметаллическая пластина изгибается. Деформация изгиба пропорциональна изменению температуры. Биметаллические пластины широко используют в терморегуляторах и термореле.

Термометры давления (манометрические термометры) различают в зависимости от свойств рабочего тела: газовые (диапазон измерений –150…+600 ⁰С), жидкостные (-150…+600 ⁰С), конденсационные (паровые, -50…+300 ⁰С).

Принцип действия манометрических термометров основан на зависимости давления рабочего вещества, находящего в замкнутом объеме, от температуры. Показывающий прибор в этом случае является манометром, шкала которого проградуирована в градусах.

Конструкция термосистемы одинакова для всех типов рабочих веществ. В газовых термометрах систему заполняют азотом или гелием под давлением 1…5 МПа. Для жидкостных систем используют метиловый спирт (для температур –46…+150 С), ксилол (-40…+400 С), ртуть (-30…+550 С), органические жидкости (+150…+300 С), которыми также заполняют всю систему.

В паровых (конденсационных) термометрах термобаллон заполняют примерно на 2/3 объема жидкостью, кипящей при низкой температуре, поэтому остальную его часть занимают пары этой жидкости. Капиллярную трубку и манометрическую пружину заполняют смесью глицерина с водой или спиртом, которая не испаряется и служит для передачи давления от термобаллона при его нагреве. Рабочей низкокипящей жидкостью служат: хлорметил (для измерения температуры +20…+100 С), хлорэтил (0…+125 С), этиловый эфир (0…+150 С), ацетон (0…170 С), бензол (0…+200 С) и другие жидкости. Специальные конденсационные термометры с заполнением, например, гелием служат для измерения сверхнизких температур от 0,8 К.

Погрешности манометрических термометров составляет 1,5% от максимального значения шкалы для газовых термометров и 2,0% - для жидкостных и паровых термометров.

Манометрические термометры имеют простое устройство, позволяют передавать сигнал измерительной информации на расстояние (до 60 метров) и осуществлять автоматическую регистрацию результатов измерений. Их недостатками являются необходимость частой поверки из-за возможной разгерметизации и сложность ремонта, а также большие во многих случаях размеры термобаллона для газовых манометрических термометров.

К группе механических термометров относят термометры контактные ртутные и терморегуляторы - приборы, предназначенные для замыкания и размыкания цепи электрического тока с целью поддержания заданной температуры или сигнализации о её достижении.

Принцип действия данных приборов основан на способности ртути служить проводником электрического тока.

Термометры изготавливают с подвижным рабочим контактом (ТПК), терморегуляторы с заданным постоянным рабочим контактом (ТЗК).

К электромеханическим и электрическим относят разнообразные термометры сопротивления, термометры с полупроводниковыми диодами и триодами в качестве чувствительных элементов, а также термоэлектрические термометры.

Принцип действия термометров сопротивления основан на зависимости электрического сопротивления некоторых проводников электричества и полупроводниковых материалов от температуры.

Основными звеньями структурной схемы электрических термометров являются: термопреобразователь сопротивления, представляющий собой обычный или полупроводниковый датчик; вторичный преобразователь, преобразующий изменение сопротивления в изменение электрического тока; и электроизмерительный прибор, измеряющий величину тока и проградуированный в градусах Цельсия. Иногда сопротивление измеряют с помощью логометров или мостов. Логометры, выпускаемые серийно, имеют градусные шкалы, рассчитанные на подключение термометров сопротивления определённых типов.

Термопреобразователь сопротивления (ТС) - термоприёмник, в котором в качестве термометрического свойства использовано изменение электрического сопротивления чувствительного элемента в зависимости от понижения или повышения его температуры, то есть посредством термометра сопротивления колебания температуры преобразуются в эквивалентное изменение электрического сопротивления проводника.

Термопреобразователь сопротивления в отличие от жидкостных стеклянных и манометрических термометров не является прибором показывающим температуру, а служит лишь датчиком.

Типичная конструкция датчика сопротивления показана на рисунке 49 а. Тонкая проволока или лента 1 из платины или меди наматывается бифилярно (сложенная вдвое) на каркас 2 из керамики, слюды, кварца, стекла или пластмассы. Бифилярная намотка необходима для исключения индуктивного сопротивления. Для защиты от повреждений каркас с проволокой помещают в тонкостенную алюминиевую гильзу 3. Для улучшения теплопередачи между каркасом и защитной гильзой устанавливают упругие металлические пластины 4. Гильзу 3 вместе с её содержимым помещают во внешний, обычно стальной, чехол 5, который устанавливается на объекте измерений с помощью штуцера 6. На выступающей части чехла располагается головка 8, в которой находится изоляционная колодка 7 с винтами для крепления выводных проводов, идущих от каркаса через изоляционные бусы 9.

а) б)

Рис. 49: а – конструкция металлического термопреобразователя сопротивления, б – датчик термометра сопротивления П – 1.

1 – лента из платины или меди; 2 – каркас; 3 – гильза; 4 – упругие металлические пластины; 5 – чехол; 6 – штуцер; 7 – изоляционная колодка; 8 – головка; 9 – изоляционные бусы.

Диапазон измерений платиновых термопреобразователей от –260 ⁰С до 1100 ⁰С, медных – от – 50 ⁰С до +200 ⁰С. Платиновые термопреобразователи являются наиболее точными первичными преобразователями в диапазоне температур, где они могут быть использованы. Погрешность измерения не более 0,5 %.

Полупроводниковые термопреобразователи сопротивления применяют при измерении температуры от –100 ⁰С до +300 ⁰С. В качестве материалов для них используют оксиды магния, кобальта, марганца, титана, меди, кристаллы германия. Основным преимуществом полупроводниковых термосопротивлений – термисторов является их большой отрицательный коэффициент сопротивления: при повышении температуры на один градус сопротивление уменьшается на 3…5 %. Их достоинствами также являются простота устройства и исключительно малые габариты. Однако термисторам присуща повышенная нестабильность характеристик, что ограничивает их применение исследовательскими целями.

Термопреобразователи сопротивления работают с вторичными приборами - логометрами и мостами, измеряющими сопротивление термометра и показывающими соответствующую этому сопротивлению температуру среды.

Измерение температуры термоэлектрическими термометрами основано на использовании термоэлектрического эффекта, возникающего при нагревании места соединения двух проводников из неоднородных металлов или сплавов. Проводники в этом случае называют термоэлектродами, а место их соединения называют спаем. Два соединенных термоэлектрода образуют термопару. Суть термоэлектрического эффекта состоит в том, что при нагревании спая в электрической цепи, показанной на рис. 50 возникает электрический ток, величина которого определяется материалами термоэлектродов и разностью температур спая t и свободных концов термоэлектродов t. На рисунке 50б показана принципиальная схема термоэлектрической измерительной цепи. Для поддержания температуры свободного (холодного) спая 3 постоянной (термостатирование спая), он помещен в сосуд 1 с двойными стенками, заполненный тающим льдом 2; причем спай может быть погружен в воду, находящуюся в пробирке 4.

В качестве материалов термоэлектродов используют следующие металлы и сплавы: хромель, алюмель, железо, медь, платинородий, платину, константан, копель. Характеристики некоторых термопар приведены в таблице. Номинальные статические характеристики преобразования для термопар отражены в ГОСТ Р 8.585.

Таблица 6.

В качестве средств измерений, работающих в комплекте с термоэлектрическим преобразователем, используются милливольтметры магнитоэлектрической системы, потенциометры и нормирующие преобразователи.

Стационарные милливольтметры имеют градусную шкалу, переносные – градусную и милливольтовую. Классы точности приборов - от 0,2 до 2,0.

Принцип действия потенциометров основан на уравновешивании термоэлектродвижущей силы известным падением напряжения (компенсирующее напряжение), создаваемым током от дополнительного источника. Поскольку при отсчете показаний прибора ток в цепи термопары устанавливают равным нулю, то сопротивление внешней цепи и изменение сопротивления этой цепи от температуры не влияют на результат измерения. Изменение компенсирующего напряжения может осуществлять вручную оператором или без его участия при использовании автоматических потенциометров.

Автоматические потенциометры предназначены для измерений, записи и регулирования температуры с повышенной точностью. Их выпускают в виде показывающих и самопишущих, одно- и многоточечных. В них могут встраиваться регулирующие и сигнализирующие устройства, а также устройства для передачи показаний на расстояние. В зависимости от модификации классы точности потенциометров могут быть равны 0,25; 0,5; 1,0. Конструктивные особенности, диапазоны измерений, класс точности автоматических потенциометров устанавливает ГОСТ 7164.

Рис. 50. Схема термопары (а) и термоэлектрической измерительной цепи (б)

Неконтактные термометры. Неконтактные методы измерения температуры оказываются очень полезными в тех случаях, когда объект по каким-либо причинам недоступен для установки в него контактного термометра или удален от нас (космические объекты, звезды), либо когда необходимо измерять очень высокие температуры и невозможно создать датчик, выдерживающий их.

Пирометры излучения. Пирометрами излучения называют средства измерений, которые позволяют определить температуру объекта по тепловому излучению, исходящему от него.

В сопоставимой области рабочих температур точность пирометров ниже, чем точность других приборов, поэтому их применение оправдано в тех случаях, когда термостойкость других приборов не достаточна или когда использование контактных термометров не возможно.

Пирометры излучения можно разделить на пирометры частичного излучения – оптические и фотоэлектрические, пирометры полного излучения - радиационные.

Принцип действия оптического пирометра с исчезающей нитью (рис. 51) основан на сравнении монохроматической яркости излучения накаленного тела с монохроматической яркостью излучения нити специальной пирометрической лампы накаливания. В фокусе объектива находится вольфрамовая нить пирометрической лампочки (5). Нить лампочки питается от аккумулятора; ее накал можно регулировать вручную реостатом (6). наблюдатель добивается равенства яркостей, при этом изображение нити сольется с фоном и станет неразличимо (нить "исчезнет").Оператор фиксирует визуально момент совпадения яркости изображения измеряемого объема и нити накаливания, встроенной в пирометр. Прибор градуируют по току, проходящему через реостат.

Рис. 51

В оптическом пирометре фиксируется температура, несовпадающая с термодинамической. По этой причине температуру, измеряемую пирометром с исчезающей нитью, называют яркостной.

Отечественные пирометры выпускаются с диапазонами измерений 1200-3200 и 1500-6000°С. Основная допустимая погрешность измерения яркостной температуры зависит от диапазона температур и составляет от 1 до 25% от верхнего предела используемой, шкалы прибора.

В радиационных пирометрах (рис. 52) используется тепловое действие полного излучения нагретого тела, включая как видимое, так и не видимое излучение. В связи с этим радиационные пирометры называются также пирометрами полного излучения. В качестве чувствительного элемента в радиационных пирометрах используется термобатарея из нескольких миниатюрных последовательно соединенных термопар, рабочие спаи которых нагреваются излучением объекта измерения, фокусируемых с помощью оптической системы. Возникающая термоэлектродвижущая сила измеряется с помощью милливольтметра или автоматического потенциометра, градуированного в градусах.

Рис. 52. Термопары 2, объекта измерения (1), оптическая система (3). автоматический потенциометр (4)

Радиационные пирометры показывают так называемую "радиационную" температуру. Истинная температура больше радиационной. Поправки, которые необходимо вносить в показания радиационного пирометра для определения истинной температуры, могут достигать нескольких сотен градусов, если объект измерения по своим радиационным свойствам значительно отличается от абсолютно черного тела.

Положительной особенностью радиационных пирометров является то, что их можно применять также и для измерения невысоких температур, при которых объект измерения не дает видимого излучения. Возможно также измерение температуры тел, более холодных, чем окружающая среда. В последнем случае термобатарея не нагревается, а охлаждается во время радиационного теплообмена между ней и объектом измерения.

В настоящее время радиационные пирометры применяются для измерения температур в диапазоне от -40 до 2500°С. Особенно удобно применение радиационных пирометров для бесконтактного измерения невысоких температур, при которых методы оптической и цветовой пирометрии неприемлемы, например, для измерения невысоких температур движущихся предметов.

Сочетание методов инфракрасной техники и телевизионных методов визуализации инфракрасных изображений дало название приборам - тепловизорам.

В неконтактной термометрии применяют термин цветовая температура. Особенно часто им пользуются, характеризуя источники света. Если в светотехнике указывается цветовая температура, это означает, что максимум энергии излучения данного источника совпадает с максимумом энергии излучения абсолютно черного тела с такой температурой.

Действие цветовых пирометров основано на том, что с изменением температуры меняется цвет накаленного тела. При этом, если выделить в спектре излучения накаленного тела два монохроматических излучения с разными длинами волн, то с изменением температуры будет меняться соотношение яркостей этих излучений. Как правило измерение температуры выполняют в красной и синей областях спектра. Логарифм отношения монохроматических яркостей накаленного тела обратно пропорционален температуре тела, которую в этом случае называют цветовой температурой.

Пирометр ЦЭП-2М (рис. 53) содержит вращающийся диск с встроенными в него светофильтрами красного и синего цвета. Благодаря этому фотоэлемент, размещенный за диском, попеременно выдает импульсы тока, пропорциональные монохроматическим яркостям красного и синего излучений накаленного тела. Эти импульсы усиливаются и преобразуются электронным логарифмирующим устройством в постоянный ток, который измеряется магнитоэлектрическим гальванометром. Шкала гальванометра градуирована в градусах. Его показания соответствуют истинной температуре абсолютно черного тела, а также "серых" тел. Диапазон измерения пирометра ЦЭП-2М от 1400 до 2500°С.

Рис. 53. Принципиальная схема цветового пирометра ЦЭП-2М

Цветовые пирометры обеспечивает высокую точность измерения: основная погрешность при измерении температуры "серых" тел не превышает ±1% верхнего предела измерения.

Поиск по сайту: