Глава 5. Приборы для измерения температуры
Температурой называют величину, характеризующую тепловое состояние тела. Согласно кинетической теории температурой называют физическую величину, количественно характеризующую меру средней кинетической энергии теплового движения молекул какого-либо тела или вещества.
Из определения температуры следует, что она не может быть измерена непосредственно, и судить о ней можно по изменению других физических свойств тел (объема, давления, электрического сопротивления, термо-ЭДС, интенсивности излучения и т.д.). Эти свойства тел называют термометрическими, и вещества, характеризующиеся такими свойствами, также называются термометрическими. По этой причине невозможно создать эталон температуры, подобно тому, как создаются эталоны других величин.
Средство измерения температуры называют термометром.
В системе СИ основной единицей является Кельвин. Градус Кельвина определяется как 1/273,16 часть температуры тройной точки воды. Привычная нам десятичная температурная шкала была предложена А.Цельсием в 1742 году, в которой расстояние по шкале между точкой таяния льда и точкой кипения волы делилось на 100 частей.
Градус Цельсия узаконен в системе СИ как производная единица, определяемая по формуле:
Т(0С) = Т(К) – 273,16 (5.1)
Во многих странах Западного полушария и, в первую очередь, в США общепринятой является шкала Фаренгейта. В качестве нижней опорной точки (0°F) изобретатель шкалы использовал температуру замерзания солевого раствора, самую низкую воспроизводимую в то время, а в качестве верхней точки - температуру тела человека (96°F - в старину было принято считать дюжинами).
Перевод °С в °F легко можно произвести по формуле:
Т(°С) =5/9·{Т(0F) – 32} (5.2.)
В абсолютной термодинамической шкале температура в Кельвинах через температуру в градусах Фаренгейта выразится как:
Т(К)= 255,38 + 5/9·{T(°F)} (5.3)
Довольно редко, но все еще встречаются термометры, отградуированные в градусах Реомюра. Шкала Реомюра строится таким образом, что разность температур плавления льда и кипения воды делится на 80 частей. Причиной этого является тот факт, что спирт с водой (основная термометрическая жидкость) расширяется между точкой замерзания воды и точкой кипения на 8% своего объема. Температурные интервалы в шкале Кельвина и Реомюра относятся как 100/80 или как 5/4, т. е.
Т(°С) = 5/4·{T(0R)} (5.4)
Все типы термометров принято делить на два класса в зависимости от методики измерений.
Традиционный и наиболее массовый вид термометров - контактные термометры, отличительной особенностью которых является необходимость теплового контакта между датчиком термометра и средой, температура которой измеряется (схема 5.1).
Вторую группу составляют бесконтактные термометры, для измерения которыми исчезает необходимость в тепловом контакте среды и прибора, достаточно собственного теплового или оптического излучения.
Контактные приборы и методы по принципу действия разделяются на:
а) термометры расширения, принцип действия которых основан на зависимости объемного расширения жидкости и линейных размеров твердых тел от температуры;
Термометры стеклянные жидкостные по назначению и области применения могут быть разделены на следующие группы: образцовые; лабораторные и специального назначения; метеорологические; термометры для сельского хозяйства; термометры бытовые.
Конструктивные формы стеклянных жидкостных термометров разнообразны, однако среди этого разнообразия можно выбрать три основных типа конструкций: с наружной шкалой, палочные и с вложенной шкалой.
Дилатометрические и биметаллические термометры основаны на использовании свойств твердого тела изменять свои линейные размеры при изменении температуры.
б) манометрические термометры, принцип действия которых основан на изменении давления рабочего (термометрического) вещества в зависимости от температуры;
в) термоэлектрические термометры (термопары), принцип действия которых основан на использовании зависимости термоэлектродвижущей силы от температуры;
г) термометры сопротивления, принцип действия которых основан на зависимости электрического сопротивления чувствительного элемента (проводника или полупроводника) от температуры.
Бесконтактные методы, в основе которых лежит улавливание собственного теплового или оптического излучения, можно представить следующими направлениями:
а) пирометрия - измерение температуры самосветящихся объектов: пламени, плазмы, астрофизических объектов;
б) радиометрия - измерение температуры по собственному тепловому излучению тел. Для невысоких и комнатных температур это излучение находится в инфракрасном диапазоне длин волн;
в) тепловидение - радиометрическое измерение температуры с пространственным разрешением и с преобразованием температурного поля в телевизионное изображение, иногда с цветовым контрастом. Позволяет измерять градиенты температуры, температуру среды в замкнутых объемах, например, температуру жидкостей в резервуарах и трубах.
На рисунке 5.1. показаны диапазоны измерения основных типов термометров.
Рисунок. 5.1.
Диапазоны измерения термометров наиболее распространенных типов:
а — механических контактных; б — механических контактных особых типов (SК — конусы Зегера); в — электрических контактных; г — электрических контактных особых типов (NTC и РТС — терморезисторы с отрицательным и положительным температурным коэффициентом); д — пирометры.
Схема 5.1.
Классификация контактных термометров
В таблице 5.1 приведен список систем температурных измерений, и их основные характеристики.
Таблица 5.1. Системы измерения температуры
Принцип |
Система |
Характеристики |
По расширению |
Биметаллическая пластина |
Может применяться для термостатов, диапазон измерения -30...600° С, точность ± 1 %, прочные |
Жидкость в стеклянных трубках |
Непосредственное измерение, диапазон зависит от используемой жидкости. Для ртути -35...600° С, спирта -80...70° С. Обычная точность ± 1 % |
|
Жидкость в металлических трубках |
Диапазон зависит от жидкости, в пределах -90...650°С. Точность ± 1 %, прочные, дистанционные измерения |
|
Газ в металлических конструкциях |
Диапазон -100...650° С, точность ± 0,5 %, прочные, дистанционные измерения |
|
Давление паров |
Диапазон измерения 0...2500 С, точность ± 1 % |
|
По сопротив-лению |
Металлические проводники |
Диапазон измерения зависит от металла. Для платины -200...850° С, меди -200...250° С. Точность измерения для платины ± 0,5 % |
Термистор |
Нелинейность, диапазон -100...300 °С. Быстрое реагирование |
|
Термо-электрический |
Термопара |
Диапазон, чувствительность, точность зависят от металлов термопар. Например, для пары железо-константан в диапазоне -180...760° С чувствительность 53 мкВ/°С, точность ± 1...3 %. |
Пирометр |
Исчезающая нить накала |
Диапазон 600...3000° С, точность ± 0,5 %. Отсутствует физический контакт с нагретым объектом |
Излучение |
Диапазон 0...30000 С, точность ± 0,5 %. Отсутствует физический контакт с нагретым объектом |
|
Двухцветная |
Диапазон 0...3000° С .точность ± 0,5 %, нет физического контакта с нагретым объектом |
Маркировка жидкостных типов термометров.
Первая буква Т – термометр. Вторая буква и (или) третья буквы – назначение (Т – технический, М – метеорологический, гидростатический – Г; лабораторный – Л, Н – для нефтепродуктов, С – сельскохозяйственный, Б – бытовой, ИН – для испытания нефтепродуктов и т.п.). Третья и (или) четвертая буквы – конструктивные особенности (У – угловой, П – прямой, Р – ртутный, ТК – термоконтактор, В – виброустойчивый и т.п.). Последующие цифры обозначают номер разработки. Специальные термометры обозначаются буквами СП.
Например: ТМ-4 – термометр метеорологический, ТТЖ-У – термометр технический жидкостный угловой, СП-В – термометр специальный виброустойчивый.
Манометрические термометры выпускаются различных модификаций и отличаются конструкцией, исполнением термосистемы пределами измерения, классом точности, назначением. Такие термометры изготовляются показывающими, самопишущими и комбинированными (т. е. одновременно показывающими и самопишущими).
В таблице 5.2. показана система обозначений газовых манометрических термометров.
Таблица 5.2. Обозначение газовых манометрических термометров
Термометр |
Обозначение термометра |
Вещество, заполняющее термосистему |
||
Показывающего |
самопишущего |
комбиниро-ванного |
||
Газовый |
ТПГ |
ТСГ |
ТКГ |
Газ |
Конденсационный |
ТПП |
ТСП |
ТКП |
Конденсат |
Жидкостный |
ТПЖ |
ТСЖ |
ТКЖ |
Жидкость |
Специальный |
ТПСС |
ТСС |
ТКС |
Специальное |
Термоэлектрический термометр — это термометр, содержащий термоэлектрический преобразователь, действие которого основано на использовании зависимости термоэлектродвижущей силы (ТЭДС) термопары от температуры и устройство для измерения ТЭДС.
Термопара или термоэлемент — простейшая термоэлектрическая цепь из двух разнородных электрических проводников — термоэлектродов, концы которых электрически соединены, например, пайкой или сваркой. Термопара обладает свойством развивать ТЭДС при разности температур в местах соединения термоэлектродов.
Под термоэлектрическим термометром принято понимать комплект, состоящий из:
1) термопары, осуществляющей преобразование температуры в электрическое напряжение;
2) линий связи (удлиняющих проводов);
3) вторичного прибора для измерения термо-ЭДС.
Промышленностью выпускается очень широкая номенклатура термоэлектрических преобразователей и термометров. Стандартными термоэлектрическими преобразователями являются преобразователи следующих типов: ТВР — термопреобразователь вольфрам-рениевый; ТПР — термопреобразователь платинородиевый; ТПП — термопреобразователь платинородий-платиновый; ТХА — термопреобразователь хромель-алюминиевый; ТХК — термопреобразователь хромель-копелевый.
Термопреобразователи выпускают следующих исполнений:
по способу контакта с измеряемой средой: погружаемые; поверхностные;
по условиям эксплуатации: стационарные; переносные; разового, многократного и кратковременного применений;
по защищенности от воздействия окружающей среды: обыкновенные; водозащищенные; защищенные от агрессивной среды; взрывобезопасные (в том числе искробезопасные); защищенные от других внешних воздействий;
по герметичности к измеряемой среде: герметичные; негерметичные;
по устойчивости к механическим воздействиям: обыкновенные; виброустойчивые;
по числу термопар для измерения температуры в одной зоне: одинарные; двойные; тройные;
по числу зон: однозонные; многозонные;
по наличию контакта термопары с металлической частью защитной арматуры: с открытой термопарой; с закрытой изолированной термопарой; с закрытой неизолированной термопарой.
Д
ля
измерения ТЭДС термоэлектрических
преобразователей широко применяют
милливольтметры, в частности,
магнитоэлектрического типа. Принципиальная
схема промышленного термоэлектрического
термометра
приведена на рисунке
5.2.
Б
Рисунок. 5.2.
Милливольтметр с термоэлектрическим
термометром
Термометр сопротивления — это термометр, содержащий термопреобразователь сопротивления, действие которого основано на зависимости электрического сопротивления чувствительного элемента от температуры. Чувствительный элемент изготавливают из чистых металлов, сплавов и полупроводников. Подавляющее большинство металлов имеет положительный температурный коэффициент электрического сопротивления, составляющий 0,004 — 0,006 К-1 для чистых металлов, а это означает, что сопротивление с ростом температуры увеличивается. В полупроводниках с ростом температуры сопротивление уменьшается по экспоненциальному закону. При этом температурный коэффициент сопротивления полупроводников в 5—10 раз выше, чем у чистых металлов.
Диапазон измерения температуры термопреобразователями сопротивления от –260 до +1100 °С.