Приборы для измерения температуры

 

Содержание

1. Понятие о температуре……………………………………………………..3

2. Приборы для измерения температуры…………………………………….4

2.1. Термометры для измерения температуры контактным методом……..4

2.2. Пирометры для измерения температуры бесконтактным методом…..4

3. Манометрические термометры……………………………………………7

4. Термопреобразователи сопротивления…………………………………...8

5. Термоэлектрические термометры (термопары)………………………….9

Список использованной литературы……………………………………….11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Понятие о температуре

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.

Первым устройством, созданным для измерения температуры, считают водяной термометр Галилея (1597 г.) Термометр Галилея не имел шкалы и был, по существу, лишь индикатором температуры. Полвека спустя, в 1641 г., неизвестным для нас автором был изготовлен термометр со шкалой, имеющей произвольные деления. Спустя еще полвека Ренальдини впервые предложил принять в качестве постоянных точек, характеризующих тепловое равновесие, точки плавления льда и кипения воды. При этом температурной шкалы еще не существовало. Первая температурная шкала была предложена и осуществлена Д. Г. Фаренгейтом (1724 г.). Температурные шкалы устанавливались произвольным выбором нулевой и других постоянных точек и произвольным принятием интервала температуры в качестве единицы.

Фаренгейт не был ученым. Он занимался изготовлением стеклянных приборов. Ему стало известно, что высота столба ртутного барометра зависит от температуры. Это навело его на мысль создать стеклянный ртутный термометр с градусной шкалой. В основу своей шкалы он положил три точки: 1 — «точка сильнейшего холода (абсолютный нуль)», получаемая при смешениях в определенных пропорциях воды, льда и нашатыря, и принятая им за нулевую отметку (по нашей современной шкале, равная примерно -17,8°С); 2— точка плавления льда, обозначенная им +32°, и 3 — нормальная температура человеческого тела, обозначенная +96° (по нашей шкале +35,6°С). Температура кипения воды первоначально не нормировалась и лишь позднее была установлена +212° (при нормальном атмосферном давлении).

Через несколько лет, в 1731 г. Р. А. Реомюр предложил использовать для стеклянных термометров спирт такой концентрации, который при температуре плавления льда заполнял бы объем в 1000 объемных единиц, а при температуре кипения расширялся бы до 1080 единиц. Соответственно температуру плавления льда Реомюр предложил первоначально обозначить 1000°, а кипения воды 1080* (позднее 0° и 80°).

В 1742 г. А. Цельсий, используя ртуть в стеклянных термометрах, обозначил точку плавления льда за 100°, а точку кипения воды за 0°. Такое обозначение оказалось неудобным и спустя 3 года Штремер (или возможно К. Линней) предложил изменить обозначения, принятые вначале Цельсием, изменить на обратные.

 

 

2. Приборы для измерения температуры

Термометром называют устройство (прибор), служащее для измерения температуры путем преобразования ее в показания или сигнал, являющийся известной функцией температуры.

Чувствительным элементом термометра называют часть термометра, преобразующую тепловую энергию в другой вид энергии для получения информации о температуре.

Различают термометры контактные и бесконтактные. Чувствительный элемент контактного термометра входит в непосредственное соприкосновение с измеряемой средой

Пирометром называют бесконтактный термометр, действие которого основано на использовании теплового излучения нагретых тел.

Термокомплектом называют измерительную установку, состоящую из термометра, не имеющего собственной шкалы, и вторичного прибора, преобразующего выходной сигнал термометра в численную величину.

 

2.1. Термометры для измерения температуры контактным методом:

1. термометры расширения, использующие принцип теплового расширения жидкости (жидкостные) или твердого тела (дилатометрические и биметаллические);

2. манометрические термометры, использующие зависимость между температурой и давлением газа или паров жидкости в замкнутой термосистеме;

3. термопреобразователи (термометры) сопротивления, использующие изменения электрического сопротивления металлов от температуры;

4. термоэлектрические термометры (термопары), использующие зависимость между термо-ЭДС, развиваемой термопарой (горячим спаем) из двух различных проводников, и разностью температур спая и свободных концов термопары.

2.2. Пирометры для измерения температуры бесконтактным методом:

1. яркостные пирометры, измеряющие температуру по яркости наколенного тела, то есть оптические и фотоэлектрические пирометры (в них использовано свойство фотоэлемента образовывать под действием ярко наколенного тела фотоэлектрический ток, значение которого пропорционально интенсивности падающего на фотоэлемент светового потока);

2. радиационные пирометры служат для измерения мощности полного излучения наколенных тел, то есть суммарного теплового и светового излучения, их называют пирометрами полного излучения.

Пирометры излучения применяют для измерения температуры твердых и расплавленных тел в пределах от 400°С до 4000°С.

 

Установка технического жидкостного термометра (1-защитная гильза, 2-заполнитель,3-термометр)

 

 

Термометры технические жидкостные состоят из резервуара с термометрической жидкостью и соединенной с ним капиллярной трубкой. За капилляром располагается шкала в °C. Корпус прибора — стеклянный. При изменении температуры объем жидкости внутри прибора изменяется, вследствие чего столбик жидкости в капилляре поднимается или опускается пропорционально изменению температуры.

В качестве термометрической жидкости в термометрах расширения применяется: 
• ртуть при изменении температуры от -30°C до +600°C; 
• спирт при изменении температуры от -80°C до +80°C; 
• толуол при изменении температуры от -80°C до +100°C; 
• керосин при изменении температуры от 0°C до +300°C или другие органические жидкости.

Для удобства установки термометры изготавливаются прямые и угловые (под углом 90°, 120° и 135°). Для установки стеклянных термометров и предохранения их от повреждения применяются металлические оправы. В металлической оправе инертность термометра увеличивается. Для уменьшения времени запаздывания зазор между защитной оправой и хвостовиком заполняется техническим маслом (при температуре измерения до 150°С), медными опилками (при температуре свыше 150°С до 650°С).

Принцип работы дилатометрических термометров основан на преобразовании измеряемой температуры в разность абсолютных значений удлинений двух стержней, изготовленных из материалов с различными термическими коэффициентами линейного расширения. Они применяются в устройствах сигнализации и регулирования температуры.

Работа биметаллических термометров основана на деформации биметаллической ленты при изменении температуры. Биметаллическая лента согнута в виде плоской или винтовой спирали, один конец которой укреплен неподвижно, а другой — на оси стрелки. Угол поворота стрелки равен углу закручивания спирали, который пропорционален изменению температуры. Класс точности приборов 1 %, 1,5 %.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Манометрические термометры.

Схема манометрического термометра (1-термобаллон, 2-капилляр, 3-многовитковая трубчатая пружина)

Манометрические термометры по заполнению подразделяют на газовые, жидкостные и парожидкостные (конденсационные). Манометрические термометры состоят из термобаллона, капиллярной трубки, трубчатой пружины с тягой, зубчатого сектора и стрелки (см. рис.). Вся система заполняется рабочим веществом.

Принцип действия манометрических термометров основан на изменении объема или давления рабочего вещества в замкнутом объеме трубчатой пружины, капилляра и термобаллона, при изменении температуры среды, в которую помещен термобаллон. Если температура увеличивается, давление паров жидкости (газа) увеличивается, свободный конец пружины перемещается и через передаточный механизм поворачивает стрелку.

В газовых манометрических термометрах вся система заполнена инертным газом (азотом, гелием). 
Шкала приборов равномерна. К недостаткам относятся сравнительно большая инерционность и большие размеры термобаллона. Применяются для измерения температур в диапазоне от -200°С до +600°С.

В жидкостных манометрических термометрах в качестве рабочей жидкости применяются метиловый спирт, ксилол, толуол, ртуть и т.д. Жидкостные манометрические термометры имеют равномерную шкалу. Применяются для измерения температур в диапазоне от -150°С до +300°С.

В конденсационных манометрических термометрах термобаллон частично заполнен термометрической жидкостью с низкой температурой кипения (ацетон, метилхлорид, этиловый эфир), а остальная часть системы заполнена насыщенными парами этой жидкости. Давление насыщенного пара изменяется в зависимости от температуры и передается на трубчатую пружины по капилляру посредством сконденсировавшейся жидкости. У конденсационных манометрических термометрах шкала неравномерная. Парожидкостные манометрические термометры применяются для измерения температур в диапазоне от -50°С до +300°С.

Манометрические термометры применяются как показывающие (типа ТПГ), так и самопишущие (типа ТГС), в которых привод диаграммы осуществляется от синхронного микродвигателя или от часового механизма. Широко используются сигнализирующие манометрические термометры (типа ТСМ) и электроконтактные манометрические термометры (типа ЭКТ). ЭКТ предназначены для замыкания и размыкания цепи электрического тока с целью поддержания заданной температуры и сигнализации о ее достижении. Класс точности большинства приборов — 1,5 % и 2,5 %.

4. Термопреобразователи сопротивления.

Платиновый унифицированный термометр сопротивления (1-платиновая спираль, 2-защитная арматура, 3-головка)

Принцип работы термопреобразователей сопротивления основан на свойстве применяемых в них проводниковых материалов изменять свое электрическое сопротивление при изменении температуры. Зная зависимость между температурой и сопротивлением, можно по сопротивлению вещества определить его температуру. Комплекттермометра сопротивления состоит из первичного прибора (проводника, являющегося тепловоспринимающим элементом) и вторичного прибора, определяющего изменения электрического сопротивления и отградуированного в градусах Цельсия (°С) (рис.10). Тепловоспринимающие элементы изготавливаются из платиновой проволоки (типа ТСП), медной электролитной проволоки (типа ТСМ) и никелевой проволоки (типа ТСН).

Платиновые термопреобразователи сопротивления применяют для измерения температуры от -220°С до +850°С (1100°С — для единичного производства). Чувствительный элемент термопреобразователя изготовлен из платиновой проволоки диаметром 0,05 — 0,08 мм, намотанной на слюдяную пластинку (каркас) с зубчатой нарезкой, и помещен в защитную арматуру (чехол). К концам платиновой обмотки припаиваются два серебряных вывода, находящиеся на выходной головке термометра. Выводы изолируются фарфоровыми изоляторами. 
Чехол помещается в наружную защитную оболочку из стали с подвижным штуцером для крепления термометра в месте измерения.

В качестве вторичных приборов применяются уравновешенные мосты и лагометры. Питание приборов осуществляется от постороннего источника тока.

Измерительные приборы позволяют подключать к ним несколько термометров сопротивления. 
Медные термопреобразователи сопротивления применяют для измерения температуры от -200°С до +200°С (-50°С до +120°С). 
Никелевые термопреобразователи сопротивления применяют для измерения температуры от -60°С до +180°С.

Медный и никелевый термометры устроены аналогично платиновому, выводные концы выполнены из медной проволоки. 
Стальная наружная оболочка обеспечивает работу термометров сопротивления в среде, находящейся под давлением до 30 кг/см2. Основной недостаток термометров сопротивления — большая инерционность (до 10 мин).

5. Термоэлектрические термометры (термопары).

Принцип действия термоэлектрических термометров основан на свойстве металлов и сплавов создавать термоэлектродвижущую силу (термо-ЭДС) при нагревании спая двух разнородных проводников, образующих т.н. термопару или первичный прибор термометра. 
Термоэлектрический термометр состоит из двух спаянных и изолированных по длине термоэлектродов, защитного чехла и головки с зажимами для подключения соединительных проводов. В качестве вторичного прибора, измеряющего развиваемую термопарой термо-ЭДС, служит электроизмерительный прибор. В качестве измерителя ТЭДС применяются показывающие и самопишущие магнитоэлектрические милливольтметры и потенциометры. Зная зависимость ТЭДС от температуры спая, можно шкалу электрического прибора проградуировать в градусах Цельсия (°С) и фиксировать температуру вещества.

ТЭДС зависит от материала проводников, составляющих термоэлектрический термометр, а также от температуры холодного спая, называемого свободным концом. Свободный конец термоэлектрического термометра должен находиться в зоне постоянной температуры, имеющей определенное (известное) значение. Фактически свободный конец термоэлектрического термометра, как правило, находится в зоне переменной температуры, поэтому в качестве соединительных применяют компенсационные провода, позволяющие перенести свободный конец в зону с постоянной температурой, а также для подсоединения свободного конца термопары к зажимам измерительных приборов.