Содержание
Лекция 7. Измерение температуры. Контактный и бесконтактный способы. Измерение тепловых потоков.
7.1. Измерение температуры.
Температура – это параметр теплового состояния, представляющий собой физическую величину, которая характеризует степень нагретости тела. Степень нагретости тела обусловлена его внутренней энергией. Непосредственно измерить температуру тела невозможно. Температура измеряется косвенным путем с использованием температурной зависимости какого-либо физического свойства термометрического тела. В качестве термометрического тела используются тела, у которых удобные для непосредственного измерения физические свойства однозначно зависят от температуры. Такими физическими свойствами являются, в частности, объемное расширение ртути, изменение давления газов и т.д.
При измерении температуры какого-либо тела термометрическое тело должно быть с ним в тепловом контакте. В этом случае с течением времени наступает тепловое равновесие между ними, т.е. температура этих тел выравнивается. Такой способ измерения температуры, при котором измеряемая температура тела определяется по совпадающей с ней температуре термометрического тела, называется контактным способом измерения температуры. Возможные расхождения между этими значениями температуры составляют методическую погрешность контактного способа измерения температуры.
В природе нет идеально подходящих рабочих тел, термометрические свойства которых удовлетворяли бы предъявляемым требованиям во всем диапазоне измерения температуры. Поэтому температуру, измеряемую термометром, шкала которого построена на допущении линейной температурной зависимости термометрических свойств какого-либо тела, называют условной температурой, а шкалу – условной температурной шкалой. Примером условной температурной шкалы является известная стоградусная шкала Цельсия. В ней принят линейный закон температурного расширения ртути, а в качестве основных точек шкалы используются точка таяния льда (0°С) и точка кипения воды (100°С) при нормальном давлении. Термодинамическая температурная шкала, предложенная Кельвином, основана на втором законе термодинамики и не зависит от термометрических свойств тела. Построение шкалы опирается на следующие положения термодинамики: если в прямом обратимом цикле Карно к рабочему телу подводится теплота Q1 от источника с высокой температурой T1 и отводится теплота Q2 к источнику с низкой температурой Т2, то отношение T1/ Т2 равно отношению Q1/Q2 независимо от природы рабочего тела. Эта зависимость позволяет построить шкалу, опираясь только на одну постоянную или реперную точку с температурой Т0. Пусть температура источников теплоты Т2=Т0, a T1=T, причем Т неизвестна. Если между этими источниками осуществить прямой обратимый цикл Карно и измерить количество подводимой Q1 и отводимой Q2 теплоты, то неизвестную температуру можно определить по формуле
Таким способом можно произвести градуирование всей температурной шкалы.
В качестве единственной реперной точки для Международной термодинамической температурной шкалы принята тройная точка воды, и ей присвоено значение температуры 273,16 К. Выбор этой точки объясняется тем, что она может быть воспроизведена с высокой точностью – погрешность не превысит 0,0001 К, что значительно меньше погрешности воспроизведения точек таяния льда и кипения воды. Кельвином называется единица термодинамической температурной шкалы, определяемая как 1/273,16 часть температурного интервала между тройной точкой воды и абсолютным нулем. Такой выбор единицы обеспечивает равенство единиц в термодинамической и стоградусной шкалах: температурный интервал в 1К равен интервалу в 1°С.
Ввиду того, что определение температуры путем осуществления прямого обратимого цикла Карно с измерением подводимой и отводимой теплоты сложно и затруднительно, для практических целей на основе термодинамической температурной шкалы установлена Международная практическая температурная шкала МПТШ-68 (1968 – год принятия шкалы). Эта шкала устанавливает температуру в диапазоне от 13,81 К до 6300 К и максимально приближена к Международной термодинамической температурной шкале. Методика ее реализации базируется на основных реперных точках и на эталонных приборах, градуированных по этим точкам. МПТШ- 68 опирается на 11 основных реперных точек, представляющих собой оп-ределенное состояние фазового равновесия некоторых веществ, которым присвоено точное значение температуры.
7.1.1. Контактное измерение температуры.
По принципу действия контактные термометры делятся на:
1.Термометры, основанные на тепловом расширении вещества. Используются с термометрическим телом в жидком состоянии (например, ртутные жидко-стеклянные термометры) и в твердом состоянии – биметаллические, действие которых основано на различии коэффициентов линейного теплового расширения двух материалов (например, инвар -латунь, инвар – сталь).
2. Термометры, основанные на измерении давления вещества.
Это манометрические термометры, которые представляют собой замкнутую герметичную термосистему, состоящую из термобаллона, манометрической пружины и соединяющего их капилляра.
Действие термометра основано на температурной зависимости давления газа (например, азота) или паров жидкости, заполняющих герметичную термосистему. Изменение температуры термобаллона вызывает перемещение пружины, соответствующее измеряемой температуре. Манометрические термометры выпускаются как технические приборы для измерения температуры от -150°С до +600°С в зависимости от природы термометрического вещества.
3. Термометры, основанные на температурной зависимости термо-ЭДС. К ним относятся термоэлектрические термометры или термопары.
4.Термометры, основанные на температурной зависимости электрического сопротивления вещества. К ним относятся электрические термометры сопротивления.
Жидкостный стеклянный термометр представляет собой тонкостенный стеклянный резервуар, соединенный с капилляром, с которым жестко связана температурная писала. В резервуар с капилляром заливается термометрическая жидкость, на температурной зависимости теплового расширения которой основано действие термометра. В качестве термометрической жидкости используется ртуть и некоторые органические жидкости – толуол, этиловый спирт, керосин.
Достоинствами жидкостных стеклянных термометров являются простота конструкции и обращения; низкая стоимость, достаточно высокая точность измерения. Эти термометры применяются для измерения температуры от минус 200°С до плюс 750°С.
Недостатками жидкостных стеклянных термометров являются большая тепловая инерция, невозможность наблюдения и измерения температуры на расстоянии, хрупкость стеклянного резервуара.
Термоэлектрический термометр основан на температурной зависимости контактных термо-ЭДС в цепи из двух разнородных термоэлектродов. При этом происходит преобразование неэлектрической величины-температуры в электрический сигнал – ЭДС. Термоэлектрические термометры часто называют просто термопарами. Термоэлектрические термометры широко применяют в диапазоне температуры от -200°С до +2500°С, но в области низких температур (менее -50°С) они получили меньшее распространение, чем электрические термометры сопротивления. При температуре выше 1300°С термоэлектрические термометры применяют в основном для кратковременных измерений. Достоинствами термоэлектрических термометров являются возможность измерения температуры с достаточной точностью в отдельных точках тела, малая тепловая инерция, достаточная простота изготовления в лабораторных условиях, выходной сигнал является электрическим.
В настоящее время для измерения температур используются следующие термопары:
-вольфрам-вольфрамрениевые (ВР5/20) до 2400. 2500К;
-платино-платинородиевые (Pt/PtRh) до 1800. 1900 К;
-хромель-алюмелевые (ХА) до 1600.. .1700 К;
-хромель-копелевые (ХК) до 1100 К.
При подключении измерительного прибора к термопарной цепи возможны 2 схемы:
1) с разрывом одного из термоэлектродных проводов;
2) с разрывом холодного спая термопары.
Для измерения малой разности температуры часто используется термобатарея, состоящая из нескольких последовательно соединенных термопар. Такая термобатарея позволяет повысить точность измерения в результате увеличения выходного сигнала во столько раз, сколько термопар в термобатарее.
Термо-ЭДС в термопарной цепи можно измерить милливольтметром по методу непосредственной оценки и потенциометром по методу сравнения.
Электрические термометры сопротивления основаны на температурной зависимости электрического сопротивления термометрического вещества и широко применяются для измерения температуры от -260°С до +750°С, а в отдельных случаях до +1000°С. Чувствительным элементом термометра является терморезисторный преобразователь, который позволяет преобразовать изменение температуры (неэлектрической величины) в изменение сопротивления (электрической величины). Терморезистором может служить любой проводник с известной температурной зависимостью сопротивления. В качестве материала для терморезистора используют такие металлы как, платина, медь, никель, железо, вольфрам, молибден. Кроме них, в термометрах сопротивления могут быть использованы некоторые полупроводниковые материалы.
Достоинствами металлических термометров сопротивления являются высокая степень точности измерения температуры, возможность применения стандартной градуировочной шкалы во всем диапазоне измерения, электрическая форма выходного сигнала.
Чистая платина, для которой отношение сопротивления при 100°С к сопротивлению при 0°С составляет 1,3925, в наибольшей степени удовлетворяет основным требованиям по химической стойкости, стабильности и воспроизводимости физических свойств и занимает особое место в терморезисторах для измерения температуры. Платиновые термометры сопротивления используются для интерполяции Международной температурной шкалы в диапазоне от -259,34°С до +630,74°С. В этом диапазоне температур платиновый термометр сопротивления превосходит по точности измерения термоэлектрический термометр.
Недостатками термометров сопротивления являются невозможность измерения температуры в отдельной точке тела из-за значительных размеров его чувствительного элемента, необходимость постороннего источника электропитания для измерения электрического сопротивления, малое значение температурного коэффициента электрического сопротивления для металлических термометров сопротивления, которое требует для измерения небольших изменений сопротивления высокочувствительные и точные приборы.
7.1.2. Бесконтактное измерение температур с помощью пирометров излучения.
Пирометрами излучения или просто пирометрами называют приборы для измерения температуры тел по тепловому излучению. Измерение температуры тел пирометрами основано на использовании законов и свойств теплового излучения. Особенностью методов пирометрии является то, что информация об измеряемой температуре передается неконтактным способом. Ввиду этого удается избежать искажений температурного поля объекта измерений, так как не требуется непосредственного соприкосновения термоприемника с телом.
По принципу действия пирометры для локального измерения температуры делят на яркостные пирометры, цветовые пирометры, радиационные пирометры.
Основной величиной, воспринимаемой глазом исследователя или приемниками теплового излучения пирометров, является интенсивность или яркость излучения тела. Действие яркостных пирометров основано на использовании зависимости спектральной интенсивности излучения тела от температуры тела. Яркостные пирометры, используемые в видимой части спектра излучения, с регистрацией сигнала при помощи глаз исследователя, называются оптическими пирометрами. Оптические пирометры являются наиболее простыми в обслуживании и широко применяются для измерения температуры от 700°С до 6000°С.
Для измерения яркостной температуры в видимой части спектра широко используются оптические пирометры с исчезающей нитью переменного и постоянного накала. Яркостная температура тела измеряется путем сравнения спектральной интенсивности излучения измеряемого тела с интенсивностью излучения нити пирометрической лампы при одной и той же эффективной длине волны (эффективная длина волны находится внутри узкого конечного интервала длин волн, в котором происходит излучение тела). При этом яркостная температура нити лампы устанавливается градуировкой по абсолютно черному телу или по специальной температурной лампе.
Оптическая система пирометра позволяет создать изображение объекта измерения в плоскости нити пирометрической лампы. В момент достижения равенства спектральных интенсивностей излучения объекта измерения и нити лампы вершина нити исчезает на фоне свечения тела.
Принцип действия цветовых пирометров основан на использовании зависимости отношения интенсивностей излучения, измеренных в двух достаточно узких спектральных интервалах , от температуры излучающего тела. Название «цветовые пирометры» происходит из-за того, что в видимой части спектра изменение длины волны при фиксированной температуре тела сопровождается изменением его цвета. Цветовые пирометры применяются для автоматического измерения температур в диапазоне 700°С – 2880°С. Цветовые пирометры имеют более низкую чувствительность, чем яркостные, в особенности при высокой температуре, но при использовании цветовых пирометров поправки на температуру, связанные с отличием свойств реальных тел от свойств абсолютно черного тела, получаются меньшими, чем при использовании других пирометров.
Радиационные пирометры – это приборы для измерения температуры по интегральной интенсивности (яркости) излучения тела. Они используются для измерения температуры от 20°С до 3500°С. Эти приборы имеют меньшую чувствительность, чем яркостные и цветовые, но измерения радиационными методами технически более простые.
Радиационные пирометры состоят из телескопа, приемника интегрального излучения, вторичного прибора и вспомогательных устройств. Оптическая система телескопа концентрирует энергию излучения тела на приемник интегрального излучения, степень нагрева которого, т.е. температура, а, следовательно, и выходной сигнал пропорциональны падающей энергии излучения и определяют радиационную температуру тела. В качестве приемника излучения (чувствительного элемента) чаще всего используют термобатареи из нескольких последовательно соединенных термопар. Наряду с термобатареями в качестве приемников интегрального излучения могут быть использованы и другие теплочувствигельные элементы, например болометры, в которых излучение от объекта измерения нагревает чувствительный к температуре резистор. Изменение температуры резистора служит мерой радиационной температуры.
В качестве вторичных приборов, регистрирующих сигнал приемника излучения, используют показывающие самопишущие и регистрирующие приборы. Шкала вторичных приборов обычно градуируется в градусах радиационной температуры. Для исключения погрешностей, обусловленных нагревом корпуса пирометра (телескопа) из-за теплообмена его с окружающей средой и в результате поглощения излучения от объекта измерения. Телескопы радиационных пирометров могут быть снабжены различными системами температурной компенсации.
7.2. Измерение тепловых потоков.
Измерение тепловых потоков необходимо при исследовании рабочих процессов машин и аппаратов, при определении тепловых потерь и исследовании условий теплообмена поверхностей с потоками газа или жидкости.
Методы измерения тепловых потоков и реализующие их устройства чрезвычайно разнообразны. По принципу измерения теплового потока все методы можно разделить на 2 группы.
1. Энтальпийные методы.
С помощью энтальпийных методов плотность теплового потока определяется по изменению энтальпии воспринимающего тепло тела. В зависимости от способа фиксирования этого изменения энтальпийные методы подразделяются на калориметрический метод, электрометрический метод, метод, использующий энергию изменения агрегатного состояния вещества.
2. Методы, основанные на решении прямой задачи теплопроводности.
Прямая задача теплопроводности заключается в отыскании температуры тела, удовлетворяющей дифференциальному уравнению теплопроводности и условиям однозначности. В этих методах плотность теплового потока определяется по градиенту температуры на поверхности тела. Среди методов этой группы различают метод вспомогательной стенки, теплометрический метод с использованием поперечной составляющей потока, градиентный метод.
Методы, основанные на решении прямой задачи теплопроводности основаны на определении плотности теплового потока, пронизывающего исследуемый объект. Этот метод реализован на практике использованием батарейных термоэлектрических преобразователей теплового потока в электрический сигнал постоянного тока. Действие основано на использовании физической закономерности установления разности температур на стенке при пронизывании ее тепловым потоком. Оригинальность батарейного преобразователя теплового потока состоит в том, что стенка, на которой создается разность температур, и измеритель этой разности объединены в одном элементе. Это достигается за счет того, что преобразователь выполнен в виде так называемой вспомогательной стенки, состоящий из батареи дифференциальных термопар, которые включены параллельно по измеряемому тепловому потоку и последовательно по генерируемому электрическому сигналу.
Батарея термоэлементов изготовляется по гальванической технологии. Единичный гальванический термоэлемент представляет собой комбинацию восходящей и нисходящей ветвей термопар, причем, восходящая ветвь – основной проводник, а нисходящая – гальванически покрытый парным термоэлектродным материалом участок этого же проводника. Пространство между ними заполнено электроизоляционным компаундом. Конструктивно преобразователь состоит из корпуса, внутри которого при помощи компаунда крепится батарея термоэлементов и отводящие проводники, выведенные из корпуса через два отверстия.
Рис. 7.1. Схема батареи гальванических термоэлементов:
основная термоэлектрическая проволока, 2 – гальваническое покрытие, 3 – заливочный компаунд; 4 – каркасная лента.
Измеряемый тепловой поток определяется по формуле
где Q – тепловой поток от объекта Вт,
k – градуировочный коэффициент Вт/мВ,
e – термоэдс, генерируемая преобразователем мВ.
Такие батарейные преобразователи могут быть использованы в качестве высокочувствительных теплометрических элементов (тепломеров) при различных тепловых измерениях.
Гортышев Ю.Ф. Теория и техника теплофизического эксперимента. – М., «Энергоатомиздат», 1985.
Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент. Справочник под ред. Григорьева В.А. – М., «Энергоатомиздат», 1982.
Иванова Г.М. Теплотехнические измерения и приборы.- М., «Энергоатомиздат», 1984.
Приборы для теплофизических измерений. Каталог. Институт проблем энергосбережения АН УССР. Составители Геращенко О.А., Грищенко Т.Г. – Киев, «Час», 1991.
Температурой называется статистическая величина, характеризующая тепловое состояние тела и пропорциональная средней кинематической энергии молекул тела. За единицу температуры принимают кельвин (К). Температура может быть также представлена в градусах Цельсия (°С). Нуль шкалы Кельвина равен абсолютному нулю, поэтому все температуры по этой шкале положительные. Связь между температурами t по Цельсию и T по Кельвину определяется следующим уравнением:
Измерить температуру непосредственно, как, например, линейные размеры, невозможно. Поэтому температуру определяют косвенно — по изменению физических свойств различных тел, получивших название термометрических.
Измерение температуры связано с преобразованием сигнала измерительной информации (температуры) в какое-либо свойство, связанное с температурой.
Для практических целей, связанных с измерением температуры, принята Международная температурная шкала (МТШ-90) (рис. 2.89), которая является обязательной для всех метрологических органов. Она основывается на ряде воспроизводимых состояний равновесия (реперных точек) некоторых веществ, которым присвоены определенные значения температуры.
Рис. 2.89. Международная Температурная шкала (МТШ-90) с реперными точками (подчеркнуты)
Для измерения температуры наибольшее распространение получили следующие методы, основанные:
– на тепловом расширении жидких, газообразных и твердых тел (термомеханический эффект);
– изменении давления внутри замкнутого объема при изменении температуры (манометрические);
– изменении электрического сопротивления тел при изменении температуры (терморезисторы);
– использовании электромагнитного излучения нагретых тел.
Приборы, предназначенные для измерения температуры, называются термометрами. Они подразделяются на две большие группы: контактные и бесконтактные.
Контактное измерение температуры.
Термометры расширения нашли широкое распространение в практике контактных измерений температуры. Основные типы механических контактных термометров, их метрологические характеристики, преимущества, недостатки и область применения представлены в табл. 2.18.
Наименование прибора
Тип прибора
Пределы измерений,°С
Погрешность измерения,%
Инерцион ность
Преимущества
Недостатки
Область применения
Металли ческие термометры расширения
Дилато метриче ские
Дешевые, надежные, малое время срабатывания; очень большие перестановочные усилия
Малая точность, высокая инерционность
Дешевые, надежные; большие перестановочные усилия
Оценочный контроль температуры, температурные выключатели
Жидкостные термометры
Малая механическая прочность, нет дистанцион- ности
Лабораторные термометры, бытовые термометры
Дешевые, надежные, не требуют внешних источников энергии; дистан- ционность до 50 м, большие перестановочные усилия
Температура соединительного капилляра влияет на показания прибора
Промышленные термометры, термореле
Конденса ционные манометри ческие
Нелинейная статическая характеристика
Газовые термометры
С гелиевым заполнением
Принцип измерения соответствует определению термодинамической температуры
Малая механическая прочность, большая трудоемкость процесса измерения
Поверочные (калибровочные) работы
Жидкостные стеклянные термометры конструктивно подразделяются на палочные (рис. 2.90, а) и технические со вложенной шкалой (рис. 2.90, б). Принцип их действия основан на зависимости между температурой и объемом термометрической жидкости, заключенной в стеклянной оболочке. Жидкостный термометр состоит из стеклянной оболочки 1, капиллярной трубки 3, запасного резервуара 4 и шкалы 2. Термометрическая жидкость заполняет резервуар и часть капиллярной трубки. Свободное пространство в капилляре заполняется инертным газом или из него удаляется воздух.
Рис. 2.90. Жидкостные стеклянные термометры:
а — палочный; б — технический со вложенной шкалой; 1 — стеклянная оболочка; 2 — шкала; 3 — капиллярная трубка; 4 — запасной резервуар
В качестве термометрической жидкости применяют органические заполнители: толуол, этиловый спирт, керосин, пентан. Наиболее широкое распространение получили термометры с ртутным наполнением. Это объясняется свойствами ртути находиться в жидком состоянии в широком диапазоне температур и не смачивать стекло, что позволяет использовать капилляры с небольшим диаметром канала (до 0,1 мм) и обеспечивать высокую точность измерения. Так, ртутные образцовые термометры 1-го разряда имеют погрешность 0,002. 2°С.
Органические заполнители характеризуются более низкой температурой применения, меньшей стоимостью, большей погрешностью измерения.
Стеклянные термометры в зависимости от назначения и области применения подразделяются на образцовые, лабораторные, технические, бытовые, метеорологические.
Лабораторные термометры обеспечивают измерение в интервале температур 0. 500°С, который разбит на четыре диапазона, что позволяет получить погрешность измерений, не превышающую ±0,01 °С (0. 60 °С); ±0,02 °С (55. 155 °С); ±0,05°С (140. 300 °С) и ±0,1 °С (300. 500°С).
В качестве технических применяют только термометры со вложенной шкалой, которые имеют две модификации: прямые и угловые. Допускаемая погрешность обычно равна цене деления. При стационарной эксплуатации в различных точках технологических агрегатов термометры устанавливают в специальных металлических защитных чехлах (кожухах).
Для обеспечения задач позиционного регулирования и сигнализации в лабораторных и промышленных установках применяют специальные электроконтактные технические термометры двух типов:
1) с постоянными впаянными контактами, которые обеспечивают замыкание и размыкание электрических цепей при одной, двух или трех заранее заданных температурах;
2) с одним подвижным контактом (перемещается внутри капилляра с помощью магнита) и вторым неподвижным, впаянным в капилляр, что обеспечивает замыкание и размыкание электрической цепи при любом значении выбранной температуры.
Перемещающаяся в капилляре ртуть размыкает или замыкает цепи между контактами, к которым подводится напряжение постоянного или переменного тока и нагрузка на которые не должна превышать 0,5 мА при напряжении не более 0,3 В.
Биметаллические и дилатометрические термометры основаны на свойстве твердых тел в различной степени изменять свои линейные размеры при изменении их температуры.
В основном металлы и их сплавы относятся к материалам с высоким температурным коэффициентом линейного расширения. Так, для латуни он равен (18,3. 23,6)*10 -6 °С -1 , для никелевой стали 20*10 -6 °С -1 . В то же время есть сплавы, имеющие низкий коэффициент линейного расширения: сплав инвар — 0,9*10 -6 °С -1 , плавленый кварц — 0,55*10 -6 °С -1 .
На рис. 2.91, а представлена конструкция биметаллического термометра, в котором в качестве термочувствительного элемента используется двухслойная пластинка, состоящая из металлов с существенно различными коэффициентами линейного расширения: латуни 1 и инвара 2. При увеличении температуры свободный конец пластины будет изгибаться в сторону металла с меньшим коэффициентом, по величине этого перемещения судят о температуре.
Данный тип устройств часто используется как термореле в системах сигнализации и автоматического регулирования, а также в качестве температурных компенсаторов в измерительных устройствах, например в радиационных пирометрах, манометрических термометрах и т. п.
На рис. 2.91, б приведена конструкция чувствительного элемента пневматического дилатометрического преобразователя температуры.
Рис. 2.91. Термометры:
а — биметаллический: 1 — латунь; 2 — инвар; б — дилатометрический: 1 — корпус; 2 — стержень; 3 — трубка; 4 — шарик; 5 — толкатель; 6 — пружина; 7 — преобразователь
В корпусе 1, изготовленном из латуни (нержавеющей стали) расположены трубка 3 и стержень 2, выполненный из инвара (кварца). Стержень 2 через трубку 3 и толкатель 5 с помощью пружины 6 постоянно поджимается к нижнему концу корпуса 1. Шарик 4 исключает появление люфтов между стержнем и компенсационной трубкой, которая выполнена также из латуни и предназначена для исключения температурной погрешности при установке на объектах с различной толщиной тепловой изоляции. Изменение разности удлинений корпуса 1 и стержня 2, пропорциональное изменению температуры измеряемой среды, трансформируется в пневматический сигнал в преобразователе 7, усиливается и поступает на регистрирующий прибор.
Дилатометрические преобразователи выпускают и с электрическим выходным сигналом. Класс точности устройств 1,5 и 2,5 с диапазоном измеряемых температур от -30 до +1000 °С.
Жидкостные манометрические термометры (рис. 2.92) основаны на использовании зависимости между температурой и давлением термометрического вещества (газа, жидкости), заполняющего герметически замкнутую термосистему термометра. Термосистема состоит из термобаллона 4, капилляра 5 и манометрической одно- или многовитковой пружины 6. Капилляр 5 соединяет термобаллон с неподвижным концом манометрической пружины. Подвижный конец пружины запаян и через шарнирное соединение 7, поводок 3, сектор 2 связан со стрелкой прибора 1.
Рис. 2.92. Конструкция манометрического термометра:
1 — стрелка; 2 — сектор; 3 — поводок; 4 — термобаллон; 5— капилляр; 6 — пружина; 7 — шарнирное соединение
При изменении температуры среды изменяется давление термометрического вещества в замкнутом пространстве, в результате чего чувствительный элемент (манометрическая пружина) деформируется и ее свободный конец перемещается. Данное перемещение преобразуется в поворот регистрирующей стрелки относительно шкалы прибора.
В зависимости от термометрического вещества манометрические термометры подразделяются на газовые, конденсационные и жидкостные.
В газовых термометрах термобаллон, капилляр и манометрическая пружина заполняются каким-либо инертным газом (азотом, гелием и др.). Диапазон измерения весьма широк и лежит в пределах от критической температуры газа (азот — 147 °С, гелий — 267 °С) до температуры, определяемой теплостойкостью материала термобаллона.
В конденсационных термометрах насыщенные пары некоторых низкокипящих жидкостей (ацетон, метилхлорид, этилхлорид) меняют давление при изменении температуры. Диапазон измерения этих приборов от 0 до +400 °С при погрешности измерений ±1 %.
В жидкостных термометрах термосистема заполнена хорошо расширяющейся жидкостью (ртутью, керосином, лигроином и др.). Диапазон измерения этих приборов от -30 до +600 °С при погрешности измерений ±1 %.
На показания манометрических термометров значительное влияние оказывают внешние условия: изменения температуры окружающего воздуха, различная высота расположения термобаллона и пружины, колебания атмосферного давления.
Манометрические термометры имеют ограниченную длину линии связи от термобаллона к показывающему прибору, большую инерционность и динамическую погрешность.
Класс точности манометрических термометров 1,0; 1,5; 2,5 и 4,0 при работе в интервале температур окружающего воздуха от 5 до 50 °С и относительной влажности до 80 %.
Манометрические термометры применяют для измерения температуры охлаждающей воды, воздуха, жидкого и газообразного топлива, на установках для заправки и т. п.
Термометры сопротивления.
Термометр сопротивления состоит из чувствительного элемента в виде терморезистора, защитного чехла и соединительной головки.
Принцип действия чувствительного элемента основан на использовании зависимости электрического сопротивления вещества от температуры. В качестве материалов для их изготовления используют чистые металлы: платину, медь, никель и полупроводники. Платина является основным материалом для изготовления термометров сопротивления. В качестве чувствительного элемента в полупроводниковых термометрах сопротивления используют германий, окиси меди и марганца, титана и магния.
Основные метрологические характеристики термометров сопротивления, их принципиальные схемы, преимущества, недостатки и область применения представлены в табл. 2.19.
Таблица 2.19. Основные метрологические характеристики электрических контактных термометров
Характеристики
Термометры сопротивления
Термоэлектрические термометры
Пределы измерений, °С
Погрешность измерения, %
Инерционность
Преимущества
Высокая точность, линейная статическая характеристика
Высокая чувствительность, возможны измерения в точке
Дешевые, хорошая линейность статической характеристики
Прочность, малая тепловая инерция, линейная статическая характеристика
Недостатки
Невозможно измерение температуры в точке
Нелинейная статическая характеристика, большой разброс параметров, низкая стабильность параметров во времени
Большая тепловая инерция
Область применения
Энергетика, непрерывные технологические процессы в химии, пищевая промышленность
Энергетика, технологические процессы в химии, производство искусственных материалов, медицина
Энергетика, непрерывные производства, пищевая промышленность
Энергетика, непрерывные производства, химия, медицина, строительство, производство искусственных материалов
Для решения различных задач термометры сопротивления подразделяются на эталонные, образцовые и рабочие, которые, в свою очередь, подразделяются на лабораторные и технические.
Эталонные термометры сопротивления предназначены для воспроизведения и передачи шкалы МПТШ в интервале 13,81. . 903,89 К. В качестве эталонных, образцовых и лабораторных приборов повышенной точности применяют платиновые термометры сопротивления.
Технические термометры сопротивления в зависимости от конструкции подразделяются: на погружаемые, поверхностные и комнатные; защищенные и не защищенные от действия агрессивной среды; стационарные и переносные; термометры 1-го, 2-го и 3-го класса точности и т.д.
Одна из конструкций промышленных термометров сопротивления, используемых для измерения температур жидких и газообразных сред, представлена на рис. 2.93, а. Термометр состоит из чувствительного элемента 5, расположенного в стальном защитном кожухе 3, на котором приварен штуцер 2. Провода 9, армированные фарфоровыми бусами 4, соединяют выводы чувствительного элемента 5 с клеммной колодкой б, находящейся в корпусе головки 1. Сверху головка 1 закрыта крышкой 10, снизу имеется сальниковый ввод 7, через который осуществляется подвод монтажного кабеля 8.
Чувствительный элемент термометра сопротивления (рис. 2.93, б) выполнен из металлической тонкой проволоки толщиной 0,03. 0,1 мм с безындукционной каркасной или бескаркасной намоткой.
Рис. 2.93. Термометр сопротивления:
а — конструкция термометра: 1 — корпус головки; 2 — штуцер; 3 — защитный кожух; 4 — фарфоровые бусы; 5 — чувствительный элемент; 6 — клеммная колодка; 7 — сальниковый ввод; 8 — монтажный кабель; 9 — провода; 70 — крышка; б — конструкция чувствительного элемента термометра: 1 — глазурь; 2 — пространство; 3 — каркас; 4 — платиновые спирали; 5 — выводы
В качестве каркаса для платиновых термометров применяют плавленный кварц и керамику на основе окиси алюминия. В каналах каркаса 3 расположены четыре (или две) последовательно соединенные платиновые спирали 4. К верхним концам спиралей припаяны выводы 5, выполненные из платины или сплава иридия с радием. Пространство 2 между спиралями и каркасом заполнено порошком окиси алюминия. Крепление спиралей и выводов в каркасе производится глазурью 1.
При применении термометров сопротивления о температуре можно судить по изменению электрического сопротивления его чувствительного элемента, падению напряжения на нем при постоянном токе или значению тока при постоянном напряжении.
Наибольшее распространение получила первая схема, когда изменение сопротивления служит мерой температуры (рис. 2.94). В этом случае терморезистор 1 включают в одну из диагоналей моста последовательно с регулировочным резистором Rv, служащим для приведения к определенному значению сопротивления подводящих проводов. Показания гальванометра 3, включенного в диагональ моста, зависят также от напряжения питания моста, для поддержания постоянства которого в цепь питания включен регулировочный резистор.
Рис. 2.94. Схема включения термометра сопротивления:
1 — терморезистор (термометр сопротивления); 2 — уравнительный резистор RA; 3 — гальванометр; 4 — измерительный мост с резисторами Rv, R2, R3, Я4, RA; 5 — источник питания; 6 — регулировочный резистор Rv
Термоэлектрические термометры состоят из термопары, защитного чехла и соединительной головки, они основаны на термоэлектрических свойствах чувствительного элемента.
Сущность термоэлектрического метода заключается в возникновении электродвижущей силы в спае двух разнородных проводников (например, хромель — копель), температура которого отличается от температуры вторых выводов. Для получения зависимости термоЭДС от одной температуры t2 необходимо температуру t1 поддерживать на постоянном уровне, обычно при 0 или +20 °С. Спай, помещаемый в измеряемую среду, называют горячим, или рабочим, концом термопары, а спай, температуру которого поддерживают постоянной, — холодным, или свободным, концом.
Для увеличения чувствительности термоэлектрического метода измерения температуры в ряде случаев применяют термобатарею: несколько последовательно включенных термопар, рабочие концы которых находятся при температуре t2, а свободные — при известной и постоянной температуре t1.
Основные метрологические характеристики термоэлектрических термометров, их принципиальные схемы, преимущества, недостатки и область применения см. в табл. 2.19.
В качестве термопар (ТП) наиболее часто применяют комбинации материалов, имеющих высокое значение развиваемой термо- ЭДС, стабильность характеристик при различных температурах, воспроизводимость и линейную зависимость термоЭДС от температуры, простоту технологической обработки и получения спая, а именно: хромель-копелевые (TBP)[AJ], хромель-алюмелевые (TXK)[L], платинородий-платиновые (ТХА)[К], вольфрам-рениевые (Tnn)[S] и др. В квадратных скобках приведены условные обозначения номинальных статистических характеристик преобразования. Наиболее точной является термопара ТПП, которая используется в качестве рабочих эталонов и образцовых термометров 1-го, 2-го и 3-го разряда.
Основные характеристики термоэлектрических термометров представлены в табл. 2.20.
Термопара
Градуировка
Химический состав термоэлектрода
Пределы применения, C
Пределы допускаемой погрешности, С, при температуре, С
Одним из важнейших физических параметров, который чаще всего наблюдается и контролируется, будь то повседневная бытовая жизнь человека, производственные циклы или лабораторные исследования, является температура.
Температурой — называют величину, характеризующую тепловое состояние тела. Согласно кинетической теории температуру определяют как меру кинетической энергии поступательного движения молекул. Отсюда температурой называют условную статистическую величину, прямо пропорциональную средней кинетической энергии молекул тела.
В соответствии с Международной практической температурной шкалой 1968 г. основной температурой является термодинамическая температура, единица которой — Кельвин (К), но на практике чаще применяется температура Цельсия, единица которой — градус (С), равный Кельвину. между температурой Цельсия и термодинамической температурой существует следующее соотношение:
t, С=Т, К-273,15
Для изменения температур применяется контактные и бесконтактные методы. Для реализации контактных методов измерения применяются:
термометры расширения
термопреобразователи
- термосопротивления (проводниковые и полупроводниковые)
- термоэлектрические преобразователи
Бесконтактные измерения температуры осуществляются пирометрами (квазимонохроматическими, спектрального отношения и полного излучения).
Контактные методы измерения более просты и точны, чем бесконтактные. Но для измерения температуры необходим непосредственный контакт с измеряемой средой и телом. И в результате этого может возникать, с одной стороны, искажение температуры среды в месте измерения и с другой несоответствие температуры чувствительного элемента и измеряемой среды.
Серийно выпускаемые термометры и термопреобразователи охватывают диапазон температур от — 260 до 2200°С и кратковременно до 2500°С. Бесконтактные средства измерения температуры серийно выпускаются на диапазон температур от 20 до 4000°С.
В таблице 1 приведены наиболее распространенные устройства для измерения температуры и практические пределы их применения.
| Термометрическое свойство | Наименование устройства | Пределы длительного применения, 0 С | |
| Нижний | Верхний | ||
| Тепловое расширение | Жидкостные стеклянные термометры | -190 | 600 |
| Изменение давления | Манометрические термометры | -160 | 60 |
| Изменение электрического сопротивления | Электрические термометры сопротивления. | -200 | 500 |
| Полупроводниковые термометры сопротивления | -90 | 180 | |
| Термоэлектрические эффекты | Термоэлектрические термометры (термопары) стандартизованные. | -50 | 1600 |
| Термоэлектрические термометры (термопары) специальные | 1300 | 2500 | |
| Тепловое излучение | Оптические пирометры. | 700 | 6000 |
| Радиационные пирометры. | 20 | 3000 | |
| Фотоэлектрические пирометры. | 600 | 4000 | |
| Цветовые пирометры | 1400 | 2800 | |
Термометры стеклянные
Принцип действия основан на зависимости объемного расширения жидкости от температуры. Отличаются высокой точностью, простотой устройства и дешевизной. Однако стеклянные термометры хрупки, как правило, не ремонтопригодны, не могут передавать показания на расстояние.
Основными элементами конструкции являются резервуар с припаянным к нему капилляром, заполненные частично термометрической жидкостью, и шкала.
Конструктивно различаются палочные термометры со шкалой, вложенной внутрь стеклянной оболочки. У палочных термометров шкала наносится непосредственно на поверхность толстостенного капилляра. У термометров с вложенной шкалой капилляр и шкальная пластина с нанесенной шкалой, заключены в защитную оболочку, припаянную к резервуару.
Стеклянные термометры расширения выпускаются для измерения температур от -100 до 600°С.
Выпускаются также ртутные электроконтактные термометры, предназначенные для сигнализации или поддержания заданной температуры. Термометры выпускаются с заданным постоянным контактом (ТЗК) или с подвижным контактом (ТПК).
Точность показаний термометров зависит от правильности их установки. Важнейшим требованием, предъявляемым при установке, является обеспечение наиболее благоприятных условий притока тепла от измеряемой среды к термобаллону и наименьший отвод тепла от остальной части термометра во внешнюю среду. Большей частью термометры устанавливают в защитную оправу.
Рисунок 1. Стеклянные термометры
Рисунок 2. Электроконтактные термометры
Манометрические термометры
Манометрические термометры предназначены для непрерывного дистанционного измерения температуры жидких и газообразных нейтральных сред в стационарных условиях.
Принцип действия основан на измерении давления (объема) рабочего вещества в замкнутом объеме в зависимости от температуры чувствительного элемента. Основными частями манометрических термометров являются термобаллон (чувствительный элемент), капилляр и деформационный манометрический преобразователь, связанный со стрелкой прибора.
Рисунок 3. Схема манометрического термометра
В зависимости от агрегатного состояния вещества, заполняющего систему, манометрические термометры делятся на жидкостные, газовые и парожидкостные (конденсатные). В качестве заполнителей термосистем применяются: в газовых манометрических термометрах — азот, в жидкостных — полиметилоксановые жидкости, в парожидкостных -ацетон, метил хлористый, фреон.
Измерение температуры контролируемой среды воспринимается заполнителем через термобаллон и преобразуется в изменение давления, под действием которого манометрическая трубчатая пружина с помощью тяги и сектора перемещает стрелку относительно шкалы.
Схема манометрического термометра
В зависимости от выполняемых функций манометрические термометры разделяются на показывающие, самопишущие, комбинированные, бесконтактные, с наличием устройств для телеметрической передачи, сигнализации, регулирования или без них.
В зависимости от способа соединения термобаллона с корпусом, термометры могут быть местные и дистанционные. В зависимости от формы диаграммы и поля записи, самопишущие термометры подразделяют на дисковые, ленточные. В зависимости от типа механизма для передвижения диаграммных лент самопишущие термометры изготовляют с часовым или электрическим приводом.
Достоинством манометрических термометров являются: возможность измерения температуры без использования дополнительных источников энергии, сравнительная простота конструкции, возможность автоматической записи показаний, взрывобезопасность, нечувствительность к внешним магнитным полям.
К недостаткам относятся: относительно невысокая точность измерения, трудность ремонта при разгерметизации измерительной системы, низкая прочность капилляра, небольшое расстояние дистанционной передачи показаний, значительная инерционность.
Основные типы манометрических термометров:
— ТПГ — 100 Эк, ТПГ- 100Сг -газовый показывающий сигнализирующий;
— ТКП — 100 , ТКП — 160 -конденсационный показывающий;
— ТЖП — 100 — жидкостной показывающий;
— ТГП — 100 — газовый показывающий.
Термопреобразователи сопротивления
Термопреобразователи сопротивление применяются для измерения температур а пределах от -260 до 750°С. Принцип действия основан на свойстве проводника изменять свое электрическое сопротивление с изменением температуры. Основными частями термопреобразователя сопротивления являются: чувствительный элемент, защитная арматура и головка преобразователя с зажимами для подключения и соединительных проводов. Чувствительные элементы медных термопреобразователей представляют собой проволоку, покрытую эмалевой изоляцией, которая бифилярно намотана на каркас, либо без каркаса, помещенную в тонкостенную металлическую оболочку. Чувствительный элемент помещается в защитную арматуру.
Платиновая проволока не может быть покрыта слоем изоляции. Поэтому платиновые спирали располагают в тонких каналах керамического каркаса, заполненных керамическим порошком. Этот порошок выполняет функции изолятора, осуществляет фиксацию положения спиралей в каналах и препятствует межвитковому замыканию.
Термопреобразователи сопротивления выпускаются для измерений температур в диапазоне от -260 до 1100°С следующих исполнений: погружаемые и поверхностные, стационарные и переносные; негерметичные и герметичные; обыкновенные, пылезащищенные, водозащищенные, взрывобезопасные, защищенные от агрессивных сред и других внешних воздействий; малоинерционные, средней и большой инерционности; обыкновенные и виброустойчивые; одинарные и двойные; 1 — 3 классов точности.
Выпускаются термопреобразователи сопротивления следующих номинальных статических характеристик преобразования: платиновые -10П, 50П, 100П, медные -10М, 50М, 100М. Число в условном обозначении характеристики показывает сопротивление термопреобразователя при 0°С.
К числу достоинств следует отнести высокую точность и стабильность характеристики преобразователя, возможность измерять криогенные температуры, возможность осуществления автоматической записи и дистанционной передачи показаний.
К недостаткам следует отнести больше размеры чувствительного элемента, не позволяющие измерять температуру в точке объекта или измеряемой среды, необходимость индивидуального источника питания, значительная инертность.
Термоэлектрические преобразователи
Термометры термоэлектрические представляют собой чувствительные элементы в виде двух проводов из разнородных металлов или полупроводников со спаянными концами. Действие термоэлектрического преобразователя основано на эффекте Зеебека — появлении термоЭДС в контуре, составленном из двух разнородных проводников, спаи которых нагреты до различных температур. При поддержании температуры одного из спаев постоянной можно по значению термоЭДС судить о температуре другого спая. Спай, температура которого должна быть постоянной, принято называть холодным, а спай, непосредственно соприкасающийся с измеряемой средой — горячим.
В наименовании термоэлектрического преобразователя всегда принято ставить на первое место название положительного термоэлектрода, а на второе — отрицательного.
Преобразователи термоэлектрические изготовляют следующих типов:
— ТВР — термопреобразователь вольфрамрениевый
— ТПР — термопреобразователь платинородиевый
— ТПП — термопреобразователь платинородий-платиновый
— ТХА — термопреобразователь хромель-алюмелевый
— ТХК — термопреобразователь хромель-копелевый
— ТМК — термопреобразователь медь-копелевый
— По способу контакта с измеряемой средой — погружаемые, поверхностные.
— По условиям эксплуатации — стационарные, переносные, разового применения, многократного применения, кратковременного применения.
— По защищенности воздействия окружающей среды — обыкновенные, водозащитные, защищенные от агрессивных сред, взрывозащищенные, защищенные от других механических воздействий.
— По герметичности к измеряемой среде — негерметичные, герметичные.
— По числу термопар — одинарные, двойные тройные.
— По числу зон — однозонные, многозонные.
Если температуру холодного спая поддерживать постоянной, то термоЭДС будет зависеть только от степени нагрева рабочего конца термопреобразователя , что позволяет отградуировать измерительный прибор в соответствующих единицах температуры . В случае отклонения температуры свободных концов от градуировочного значения, равного 0°С, к показаниям вторичного прибора вводиться соответствующая поправка. Температуру свободных концов учитывают для того, чтобы знать величину поправки.
Для вывода свободных концов термопреобразователя в зону с постоянной температурой служат удлиненные термоэлектродные провода. Они должны быть термоэлектрически идентичны термоэлектродам термопреобразователя.
Существует два способа подбора компенсационных проводов. Первый способ — подбирают провода, которые в паре с соответствующим электродом имеют термоЭДС. Его применяют в тех случаях, когда необходимо производить измерения с повышенной точностью. В случае недефицитных материалов и удовлетворительных эксплуатационных свойств провода изготовляют из тех же материалов, что и подключаемая термопара.
Таким образом, чтобы определить измеряемую температуру среды с помощью термоэлектрического преобразователя, необходимо выполнить следующие операции:
- измерить термоЭДС в цепи преобразователя;
- определить температуру свободных концов;
- в измеряемую величину термоЭДС ввести поправку на температуру свободных концов;
- по известной зависимости термоЭДС от температуры определить измеряемую температуру среды.
В зависимости от материала термоэлектродов различают: термопреобразователи с металлическими термопарами из благородных и неблагородных металлов и сплавов; термопреобразователи с термопарами из тугоплавких металлов и сплавов.
Термопары из благородных металлов, обладая устойчивостью к высоким температурам и агрессивным средам, а также постоянной термоЭДС, широко пользуются для замера высоких температур в промышленных и лабораторных условиях. Термопары из неблагородных металлов и сплавов применяются доя измерения температур до 1000°С. Достоинством этих термопар является сравнительно небольшая стоимость и способность из развивать большие термоЭДС.
Для защиты термоэлектродов от механических повреждений и агрессивного действия среды, а также для удобства установки на технологическом оборудовании применяют защитную арматуру. Материал и исполнение арматуры могут быть различными в зависимости от назначения и области применения. Наиболее широко в качестве материалов используют высоколегированные стали и коррозионно — стойкие, жаропрочные и жаростойкие сплавы на основе железа, никеля, хрома и добавок алюминия, кремния, марганца.
Бесконтактное измерение температуры, основные понятия и законы излучения
О температуре нагретого тела можно судить на основании измерения параметров его теплового излучения, представляющего собой электромагнитные волны различной длины. Чем выше температура тела, тем больше энергии оно излучает.
Термометры, действие которых основано на измерении теплового излучения, называют пирометрами. Они позволяют контролировать температуру от 100 до 6000 °С и выше. Одним из главных достоинств данных устройств является отсутствие влияния измерителя на температурное поле нагретого тела, так как в процессе измерения они не вступают в непосредственный контакт друг с другом. Поэтому данные методы получили название бесконтактных.
На основании законов излучения разработаны пирометры следующих типов:
- пирометр суммарного излучения (ПСИ) – измеряется полная энергия излучения;
- пирометр частичного излучения (ПЧИ) – измеряется энергия в ограниченном фильтром (или приемником) участки спектра;
- пирометры спектрального отношения (ПСО) – измеряется отношение энергии фиксированных участков спектра.
В зависимости от типа пирометра различаются радиационная, яркостная, цветовая температуры.
Радиационной температурой реального тела Тр называют температуру, при которой полная мощность АЧТ равна полной энергии излучения данного тела при действительной температуре Тд.
Яркостной температурой реального тела Тя называют температуру, при которой плотность потока спектрального излучения АЧТ равна плотности потока спектрального излучения реального тела для той же длины волны (или узкого интервала спектра) при действительной температуре Тд.
Цветовой температурой реального тела Тц называют температуру, при которой отношения плотностей потоков излучения АЧТ для двух длин волн и равно отношению плотностей потоков излучений реального тела для тех же длин волн при действительной температуре Тд.
