Главная Планирование Что такое температура. Температура. Измерение и контроль температуры. Методы и средства измерения температуры Контактные методы и средства измерений температуры

Что такое температура. Температура. Измерение и контроль температуры. Методы и средства измерения температуры Контактные методы и средства измерений температуры

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОУ ВПО Рыбинская государственная авиационная технологическая академия имени П.А. Соловьева.
Социально – экономический факультет
Кафедра - Организация Производства и Управление Качеством
КУРСОВАЯ РАБОТА
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ. ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ КАЖДОГО МЕТОДА. МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ.
Пояснительная записка
Выполнил: студент группы УКТ-06		Данило М.И.
“___”__________ 2008 г.
Проверил: Старший преподаватель		Лебедева И.Г.
“___”__________ 2008 г.
Рыбинск 2008 г.

Введение

Высокопроизводительная, экономичная и безопасная работа технологических агрегатов машиностроительной промышленности требует применения современных методов и средств измерения величин, характеризующих ход производственного процесса и состояние оборудования.

Основными параметрами (величинами), которые необходимо контролировать при работе агрегатов, является температура различных сред; расход, давление, состав газов и жидкостей; состав металлов; геометрические размеры проката. Автоматическими приборами измеряется температура: в рабочих пространствах металлургических печей, выплавляемого и нагреваемого металла, элементов огнеупорной кладки, конструкции регенераторов и рекуператоров, а так же продуктов сгорания топлива.

Методы и технические средства
измерения температуры

1.1ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ

Существуют два основных способа для измерения температур - контактные и бесконтактные. Контактные способы основаны на непосредственном контакте измерительного преобразователя температуры с исследуемым объектом, в результате чего добиваются состояния теплового равновесия преобразователя и объекта. Этому способу присущи свои недостатки. Температурное поле объекта искажается при введении в него термоприемника. Температура преобразователя всегда отличается от истинной температуры объекта. Верхний предел измерения температуры ограничен свойствами материалов, из которых изготовлены температурные датчики. Кроме того, ряд задач измерения температуры в недоступных вращающихся с большой скоростью объектах не может быть решен контактным способом.

Бесконтактный способ основан на восприятии тепловой энергии, передаваемой через лучеиспускание и воспринимаемой на некотором расстоянии от исследуемого объема. Этот способ менее чувствителен, чем контактный. Измерения температуры в большой степени зависят от воспроизведения условий градуировки при эксплуатации, а в противном случае появляются значительные погрешности. Устройство, служащее для измерения температуры путем преобразования ее значений в сигнал или показание, называется термометром (ГОСТ 13417-76),

По принципу действия все термометры делятся на следующие группы, которые используются для различных интервалов температур:

1 Термометры расширения от -260 до +700 °С, основанные на изменении объемов жидкостей или

твердых тел при изменении температуры.

2 Манометрические термометры от -200 до +600 °С, измеряющие температуру по зависимости давления

жидкости, пара или газа в замкнутом объеме от изменения температуры.

3. Термометры электрического сопротивления стандартные от -270 до +750 °С, преобразующие

изменение температуры в изменение электрического сопротивления проводников или полупроводников.

4. Термоэлектрические термометры (или пирометры), стандартные от -50 до +1800 °С, в основе

преобразования которых лежит зависимость значения электродвижущей силы от температуры спая

разнородных проводников.

Пирометры излучения от 500 до 100000 °С, основанные на измерении температуры по значению

интенсивности лучистой энергии, испускаемой нагретым телом,

Термометры, основанные на электрофизических явлениях от -272 до +1000 °С (термошумовые

термоэлектрические преобразователи, объемные резонансные термопреобразователи, ядерные резонансные

1.2Методы измерения температуры

Для определения значения температуры какого-либо тела необходимо выбрать эталон температуры, то есть тело, которое при определённых условиях, равновесных и достаточно легко воспроизводимых, имело бы определённое значение температуры. Это значение температуры является реперной точкой соответствующей шкалы температур - упорядоченной последовательности значений температуры, позволяющей количественно определять температуру того или иного тела. Температурная шкала позволяет косвенным образом определять температуру тела путем прямого измерения какого-либо его физического параметра, зависящего от температуры.

Наиболее часто при получении шкалы температур используются свойства вода. Точки таяния льда и кипения воды при нормальном атмосферном давлении выбраны в качестве реперных точек в современных (но не обязательно изначальных) температурных шкалах, предложенных Андерсом Цельсием (1701 - 1744), Рене Антуаном Фершо Реомюром (1683 - 1757), Даниэлем Габриэлем Фаренгейтом (1686 - 1736). Последний создал первые практически пригодные спиртовой и ртутный термометры, широко используемые до сих пор. Температурные шкалы Реомюра и Фаренгейта применяют в настоящее время в США, Великобритании и некоторых других странах.

Введенную в 1742 году температурную шкалу Цельсия, который предложил температурный интервал между температурами таяния льда и кипения воды при нормальном давлении (1 атм или 101 325 Па) разделить на сто равных частей (градусов Цельсия), широко используют и сегодня, правда в уточненном виде, когда один градус Цельсия считается равным одному кельвину (см. ниже). При этом температура таяния льда берется равной 0 oC, а температура кипения воды становится приблизительно равной 99,975 oC. Возникающие при этом поправки, как правило, не имеют существенного значения, так как большинство используемых спиртовых, ртутных и электронных термометров не обладают достаточной точностью (поскольку в этом обычно нет необходимости). Это позволяет не учитывать указанные, очень небольшие поправки.

После введения Международной системы единиц (СИ) к применению рекомендованы две температурные шкалы. Первая шкала - термодинамическая, которая не зависит от свойств используемого вещества (рабочего тела) и вводится посредством цикла Карно. Эта температурная шкала подробно рассмотрена в третьей главе. Отметим только, что единицей измерения температуры в этой температурной шкале является один кельвин (1 К), одна из семи основных единиц в системе СИ. Эта единица названа в честь английского физика Уильяма Томсона (лорда Кельвина) (1824 - 1907), который разрабатывал эту шкалу и сохранил величину единицы измерения температуры такой же, как и в температурной шкале Цельсия. Вторая рекомендованная температурная шкала - международная практическая. Эта шкала имеет 11 реперных точек - температуры фазовых переходов ряда чистых веществ, причём значения этих температурных точек постоянно уточняются. Единицей измерения температуры в международной практической шкале также является 1 К.

В настоящее время основной реперной точкой, как термодинамической шкалы, так и международной практической шкалы температур является тройная точка воды. Эта точка соответствует строго определенным значениям температуры и давления, при которых вода может одновременно существовать в твердом, жидком и газообразном состояниях. Причем, если состояние термодинамической системы определяется только значениями температуры и давления, то тройная точка может быть только одна. В системе СИ температура тройной точки воды принята равной 273,16 К при давлении 609 Па.

Кроме задания реперных точек, определяемых с помощью эталона температуры, необходимо выбрать термодинамическое свойство тела, описывающееся физической величиной, изменение которой является признаком изменения температуры или термометрическим признаком. Это свойство должно быть достаточно легко воспроизводимо, а физическая величина - легко измеряемой. Измерение указанной физической величины позволяет получить набор температурных точек (и соответствующих им значений температуры), промежуточных по отношению к реперным точкам.

Тело, с помощью измерения термометрического признака которого осуществляется измерение температуры, называется термометрическим телом.

Термометрическими признаками могут быть изменения: объёма газа или жидкости, электрического сопротивления тел, разности электрического потенциала на границе раздела двух проводящих тел и т.д. Соответствующие этим признакам приборы для измерения температуры (термометры) будут: газовый и ртутный термометры, термометры, использующие в качестве датчика термосопротивление или термопару.

Приводя термометрическое тело (датчик термометра) в состояние теплового контакта с тем телом, температуру которого необходимо измерить, можно на основании нулевого начала термодинамики утверждать, что по прошествии времени, достаточного для установления термодинамического равновесия, их температуры сравняются. Это позволяет приписать телу то же значение температуры, которое показывает термометр.

Другой метод измерения температуры реализован в пирометрах - приборах для измерения яркостной температуры тел по интенсивности их теплового излучения. При этом достигается равновесное состояние термодинамической системы, состоящей из самого пирометра и теплового излучения, принимаемого им. Подробнее это явление рассмотрено в разделе курса, посвящённом квантовым свойствам равновесного теплового излучения. Сейчас мы только отметим, что оптическая пирометрия (бесконтактные методы измерения температур) используется в металлургии для измерения температуры расплава и проката, в лабораторных и производственных процессах, где необходимо измерение температуры нагретых газов, а также при исследованиях плазмы.

Первый термометр был изобретён Галилео Галилеем (1564 - 1642) и представлял собой газовый термометр.

Газовый термометр постоянного объёма состоит из термометрического тела - порции газа, заключенной в сосуд, соединенный с помощью трубки с манометром. Измеряемая физическая величина (термометрический признак), обеспечивающая определение температуры, - давление газа при некотором фиксированном объёме. Постоянство объёма достигается тем, что вертикальным перемещением левой трубки уровень в правой трубке манометра доводится до одного и того же значения (опорной метки) и в этот момент производится измерения разности высот уровней жидкости в манометре. Учет различных поправок (например, теплового расширения стеклянных деталей термометра, адсорбции газа и т.д.) позволяет достичь точности измерения температуры газовым термометром постоянного объема, равной одной тысячной кельвина.

Газовые термометры имеют то преимущество, что температура, определяемая с их помощью, при малых плотностях газа не зависит от природы используемого газа, а шкала газового термометра - хорошо совпадает с абсолютной шкалой температур (о ней подробно будет сказано ниже). Во второй главе мы подробнее опишем идеально-газовый термометр, определяющий абсолютную шкалу температур.

Газовые термометры используют для градуировки других видов термометров, например, жидкостных. Они более удобны на практике, однако, шкала жидкостного термометра, проградуированного по газовому, оказывается, как правило, неравномерной. Это связано с тем, что плотность жидкостей нелинейным образом зависит от их температуры.

Жидкостной термометр - это наиболее часто используемый в обыденной жизни термометр, основанный на изменении объёма жидкости при изменении её температуры. В ртутно-стеклянном термометре термометрическим телом является ртуть, помещенная в стеклянный баллон с капилляром. Термометрическим признаком является расстояние от мениска ртути в капилляре до произвольной фиксированной точки. Ртутные термометры используют в диапазоне температур от -35 oC до нескольких сотен градусов Цельсия. При высоких температурах (свыше 300 oC) в капилляр накачивают азот (давление до 100 атм или 107 Па), чтобы воспрепятствовать кипению ртути. Применение в жидкостном термометре вместо ртути таллия позволяет существенно понизить нижнюю границу измерения температуры до -59 oC.

Другими видами широко распространённых жидкостных термометров являются спиртовой (от -80 oC до +80 oC) и пентановый (от -200 oC до +35 oC). Отметим, что воду нельзя применять в качестве термометрического тела в жидкостном термометре: объём воды с повышением температуры сначала падает, а потом растёт, что делает невозможным использование объема воды в качестве термометрического признака.

С развитием измерительной техники, наиболее удобными техническими видами термометров стали те, в которых термометрическим признаком является электрический сигнал. Это термосопротивления (металлические и полупроводниковые) и термопары.

В металлическом термометре сопротивления измерение температуры основано на явлении роста сопротивления металла с ростом температуры. Для большинства металлов вблизи комнатной температуры эта зависимость близка к линейной, а для чистых металлов относительное изменение их сопротивления при повышении температуры на 1 К (температурный коэффициент сопротивления) имеет величину близкую к 4*10-3 1/К. Термометрическим признаком является электрическое сопротивление термометрического тела - металлической проволоки. Чаще всего используют платиновую проволоку, а также медную проволоку или их различные сплавы. Диапазон применения таких термометров от водородных температур (~20 К) до сотен градусов Цельсия. При низких температурах в металлических термометрах зависимость сопротивления от температуры становится существенно нелинейной, и термометр требует тщательной калибровки.

В полупроводниковом термометре сопротивления (термисторе) измерение температуры основано на явлении уменьшения сопротивления полупроводников с ростом температуры. Так как температурный коэффициент сопротивления полупроводников по абсолютной величине может значительно превосходить соответствующий коэффициент металлов, то и чувствительность таких термометров может значительно превосходить чувствительность металлических термометров.

Специально изготовленные полупроводниковые термосопротивления могут быть использованы при низких (гелиевых) температурах порядка нескольких кельвин. Однако следует учитывать то, что в обычных полупроводниковых сопротивлениях возникают дефекты, обусловленные воздействием низких температур. Это приводит к ухудшению воспроизводимости результатов измерений и требует использования в термосопротивлениях, специально подобранных полупроводниковых материалов.

Другой принцип измерения температуры реализован в термопарах. Термопара представляет собой электрический контур, спаянный из двух различных металлических проводников, один спай которых находится при измеряемой температуре (измерительный спай), а другой (свободный спай) - при известной температуре, например, при комнатной температуре. Из-за разности температур спаев возникает электродвижущая сила (термо-ЭДС), измерение которой позволяет определять разность температур спаев, а, следовательно, температуру измерительного спая.

В таком термометре термометрическим телом является спай двух металлов, а термометрическим признаком - возникающая в цепи термо-ЭДС. Чувствительность термопар составляет от единиц до сотен мкВ/К, а диапазон измеряемых температур от нескольких десятков кельвин (температуры жидкого азота) до полутора тысяч градусов Цельсия. Для высоких температур применяются термопары из благородных металлов. Наибольшее применение нашли термопары на основе спаев следующих материалов: медь-константан, железо-константан, хромель-алюмель, платинородий-платина.

Следует отметить, что термопара способна измерить только разность температур измерительного и свободного спаев. Свободный спай находится, как правило, при комнатной температуре. Поэтому для измерения температуры термопарой необходимо использовать дополнительный термометр для определения комнатной температуры или систему компенсации изменения температуры свободного спая.

В радиотехнике часто применяют понятие шумовой температуры, равной температуре, до которой должен быть нагрет резистор, согласованный с входным сопротивлением электронного устройства, чтобы мощность тепловых шумов этого устройства и резистора были равными в определенной полосе частот. Возможность введения такого понятия обусловлена пропорциональностью средней мощности шума (среднего квадрата шумового напряжения на электрическом сопротивлении) абсолютной температуре сопротивления. Это позволяет использовать шумовое напряжение в качестве термометрического признака для измерения температуры. Шумовые термометры используются для измерения низких температур (ниже нескольких кельвинов), а также в радиоастрономии для измерения радиационной (яркостной) температуры космических объектов

1.2.1ОПИСАНИЕ ПРИНЦИПА БЕСКОНТАКТНОГО МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

Thermopiles – это термоэлементы включенные последовательно, которые используют известный Seebeck – эффект. Термоэлемент состоит из двух электропроводных материалов, которые расположены в виде проводящих дорожек и которые в одной точке (так называемой hot junction) контактируют друг с другом. Если за счет внешнего воздействия возникнет разница температур между точкой контакта (hot junction) и обеими открытыми концами (cold junction), то на обоих концах термоэлементов появится напряжение в несколько милливольт.

При бесконтактном способе измерения температуры повышение температуры точки «hot junction» вызывается за счет абсорбирования попадающего в эту точку инфракрасного излучения. Каждый объект излучает инфракрасный свет, причем энергия этого света повышается с повышением температуры объекта. Базируясь на этом эффекте Thermopile-модули измеряют излучаемую мощность и таким образом с высокой точностью определяют температуру объекта.

1.2.2ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

В основе люминесцентных методов измерения температуры лежит температурная зависимость интенсивности люминесцентного излучения не-которых люминофоров, которое находит применение в различных датчиках измерения температуры и термопокрытиях.

Современные волоконно-оптические датчики позволяют измерять мно-гие характеристики лабораторных и промышленных объектов, в частности температуру. Не смотря на то, что их использование достаточно трудоемко, оно дает ряд преимуществ, использования подобных датчиков на практике:

безындукционность (т.е. неподверженность влиянию электромагнитной ин-дукции); малые размеры датчиков, эластичность, механическая прочность, высокая коррозийная стойкость и т.д.

1. Датчик на основе теплового излучения. В качестве устройств для измерения температуры могут быть использованы волоконно-оптические датчики на основе теплового излучения, сущность которых раскрываемая в частности в состоит в следующем. Изучаемое вещество при температуре большей 0 К вследствие тепловых колебаний атомов и молекул испускает те-пловое излучение. Энергия излучения увеличивается по мере повышения температуры, а длина волны, на которой излучение максимально, уменьша-ется. Соответственно для определения температуры можно использовать формулу Планка для энергии теплового излучения черного тела на фиксиро-ванной длине волны или в диапазоне волн.

Основным преимуществом данного способа является возможность бес-контактного измерения высоких температур. В зависимости от диапазона из-меряемых температур выбирают световые детекторы и оптические волокна. Область измерения температур для волоконно-оптических датчиков излуче-ния находится в пределах от 400 до 2000 °С. При использовании оптических волокон, прозрачных для инфракрасных лучей с длиной волны 2 мкм и бо-лее, можно осуществлять измерение и более низких температур.

2. Датчик на основе поглощения света полупроводником. Известны также волоконно-оптические датчики, работа которых основана на оптиче-ских свойствах некоторых полупроводников. Используемый полупроводник имеет граничную длину волны спектра оптического поглощения. Для света с более короткой длиной волны, чем у проводника, поглощение усиливается, причем по мере роста температуры граничная длина волны отодвигается в сторону более длинных волн (около 3 нм/К). При подаче на полупроводнико-вый кристалл луч от источника света, имеющего спектр излучения в окрест-ности указанной границы спектра поглощения, интенсивность света, прохо-дящего через светочувствительную часть датчика, с повышением температу-ры будет падать. По выходному сигналу детектора, указанным методом можно регистрировать температуру.

Используя данный метод можно мерить температуру в интервалеот 30 до 300 °С с погрешностью ±0,5 °С.

3. Датчик на основе флуоресценции. Данный датчик устроен сле-дующим образом. На торец оптического волокна светочувствительной части нанесено флуоресцентное вещество. Флуоресцентное излучение, возникаю-щее под воздействием ультрафиолетовых лучей, проводимых оптическим волокном, принимается этим же волокном. Температурный сигнал выявляет-ся путем вычисления отношения соответствующих значений интенсивности флуоресцентного излучения для сигнала с длиной волны, сильно зависящего от температуры к интенсивности сигнала с другой длиной волны, слабо зави-сящего от температуры.

Область измеряемых температур таким датчиком находится в пределах от -50 до 200 °С с погрешностью ±0,1 °С.

Использование волоконно-оптических датчиков, при всей своей при-влекательности, позволяет производить измерение температуры только в ло-кальной точке объекта, что несколько сужает область их применения.

Заключение

Температура является одним из основных параметров, подлежащих контролю со стороны систем автоматического управления металлургическими процессами. В условиях агрессивных сред и высоких температур, наиболее подходящими для использования являются фотоэлектрические пирометры. Они позволяют контролировать температуру от 100 до 6000 0С и выше. Одним из главных достоинств данных устройств является отсутствие влияния температурного поля нагретого тела на измеритель, так как в процессе измерения они не вступают в непосредственный контакт друг с другом. Так же фотоэлектрические пирометры обеспечивают непрерывное автоматическое измерение и регистрацию температуры, что позволяет использовать их в системах автоматического управления процессами без дополнительных затрат на приобретение и обслуживание устройств сопряжения.

Представленный в работе обзор люминесцентных методов измерения

температуры по сравнению с контактными методами обладает теми же пре-имуществами, что и оптические методы. В то же время он является менее сложным при организации процесса изучения температуры и не менее точ-ным по сравнению с другими оптическими методами. Кроме того, использо-вание свойств люминесценции делает возможным разработку методов изме-рения температурных полей объектов сложной геометрической формы.

Из вышеприведенного обзора очевидна необходимость дальнейшей разработки и совершенствования технологий измерения температуры с ис-пользованием люминесцентных методов

Список использованных источников.

Преображенский В. П. Теплотехнические измерения и приборы. М.: Энергия, 1978, - 704 с

Чистяков С. Ф., Радун Д. В. Теплотехнические измерения и приборы. М.: Высшая школа, 1972, - 392

Измерения в промышленности: Справ. Изд.

Никоненко В.А., Сильд Ю.А., Иванов И.А. Разработка системы метрологического обеспечения измерительных тепловизионных приборов. - Измерительная техника, № 4, 2004, с. 48-51метрологических ... для каждой стали температуры превращение...

Средства учета количества электричества и электрической энергии
Дипломная работа >> Физика
4 Анализ метрологических характеристик 4.1 ... каждой заготовки будет производиться до одинаковой температуры ... как достоинства , так и недостатки ... метод анализа. - М.: Химия, 1984. Каталог. Приборы и средства автоматизации. № 7. М. 1989. Электрические измерения ...
Описание и применение пирометров
Реферат >>
По сравнению с контактными средствами измерения температуры , т. е. термометрами... измерениях теряют свои метрологические ... недостатки пирометрического (бесконтактного) метода перед контактными. Перед контактными методами измерения температуры ... потоков, каждый из...
Нормирование точности и технические измерения
Контрольная работа >> Промышленность, производство
... измерения и/или на применяемые средства измерений . Например, при измерении длины всегда существенное значение имеет температура ... достоинства и недостатки ... метод противопоставления. МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ Для оценки метрологических ...

Классификация приборов измерения температуры

Классификация приборов

Для изменения температур применяются контактные и бесконтактные методы измерения.

Для реализации контактных методов измерения применяются:

термометры расширения твёрдых и жидких тел (стеклянные, жидкостные, манометрические, биметаллические и дилатометрические);

термопреобразователи сопротивления (проводниковые и полупроводниковые);

термоэлектрические преобразователи.

Бесконтактные измерения температуры осуществляются пирометрами (квазимонохроматическими, спектрального отношения и полного излучения.)

Преимущества и недостатки

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.

Бесконтактные методы измерения не оказывают никакого влияния на температуру среды или тело. Но зато они сложнее, и их методические погрешности существенно больше, чем у контактных методов.

Диапазон измерений

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.

Существуют бесконтактные средства измерения, позволяющие измерять температуру превышающую 4000°С.

Описание приборов измерения

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, неремонтнопригодны, 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.

Введение
Высокопроизводительная, экономичная и безопасная работа технологических агрегатов машиностроительной промышленности требует применения современных методов и средств измерения величин, характеризующих ход производственного процесса и состояние оборудования.
Основными параметрами (величинами), которые необходимо контролировать при работе агрегатов, является температура различных сред; расход, давление, состав газов и жидкостей; состав металлов; геометрические размеры проката. Автоматическими приборами измеряется температура: в рабочих пространствах металлургических печей, выплавляемого и нагреваемого металла, элементов огнеупорной кладки, конструкции регенераторов и рекуператоров, а так же продуктов сгорания топлива.
В истории развития мировой техники можно выделить три основных направления: создание машин-двигателей (водяных, ветряных, паровых, внутреннего сгорания, электрических), которые освободили человека от тяжелого физического труда; создание машин-орудий, т. е. станков и технологического оборудования различного назначения; создание устройств для контроля и управления машинами-двигателями, машинами-орудиями и технологическими процессами.

Глава 1. Методы и технические средства измерения температуры
1.1 Измерение температуры
Существуют два основных способа для измерения температур – контактные и бесконтактные. Контактные способы основаны на непосредственном контакте измерительного преобразователя температуры с исследуемым объектом, в результате чего добиваются состояния теплового равновесия преобразователя и объекта. Этому способу присущи свои недостатки. Температурное поле объекта искажается при введении в него термоприемника. Температура преобразователя всегда отличается от истинной температуры объекта. Верхний предел измерения температуры ограничен свойствами материалов, из которых изготовлены температурные датчики. Кроме того, ряд задач измерения температуры в недоступных вращающихся с большой скоростью объектах не может быть решен контактным способом.
Бесконтактный способ основан на восприятии тепловой энергии, передаваемой через лучеиспускание и воспринимаемой на некотором расстоянии от исследуемого объема. Этот способ менее чувствителен, чем контактный. Измерения температуры в большой степени зависят от воспроизведения условий градуировки при эксплуатации, а в противном случае появляются значительные погрешности. Устройство, служащее для измерения температуры путем преобразования ее значений в сигнал или показание, называется термометром (ГОСТ 13417-76),
По принципу действия все термометры делятся на следующие группы, которые используются для различных интервалов температур:
1 Термометры расширения от -260 до +700 °С, основанные на изменении объемов жидкостей или твердых тел при изменении температуры.
2 Манометрические термометры от -200 до +600 °С, измеряющие температуру по зависимости давления жидкости, пара или газа в замкнутом объеме от изменения температуры.
3. Термометры электрического сопротивления стандартные от -270 до +750 °С, преобразующие изменение температуры в изменение электрического сопротивления проводников или полупроводников.
4. Термоэлектрические термометры (или пирометры), стандартные от -50 до +1800 °С, в основе преобразования которых лежит зависимость значения электродвижущей силы от температуры спая разнородных проводников.
Пирометры излучения от 500 до 100000 °С, основанные на измерении температуры по значению интенсивности лучистой энергии, испускаемой нагретым телом,
Термометры, основанные на электрофизических явлениях от -272 до +1000 °С (термошумовые термоэлектрические преобразователи, объемные резонансные термопреобразователи, ядерные резонансные
1.2 методы измерения температуры
Для определения значения температуры какого-либо тела необходимо выбрать эталон температуры, то есть тело, которое при определённых условиях, равновесных и достаточно легко воспроизводимых, имело бы определённое значение температуры. Это значение температуры является реперной точкой соответствующей шкалы температур – упорядоченной последовательности значений температуры, позволяющей количественно определять температуру того или иного тела. Температурная шкала позволяет косвенным образом определять температуру тела путем прямого измерения какого-либо его физического параметра, зависящего от температуры.
Наиболее часто при получении шкалы температур используются свойства вода. Точки таяния льда и кипения воды при нормальном атмосферном давлении выбраны в качестве реперных точек в современных (но не обязательно изначальных) температурных шкалах, предложенных Андерсом Цельсием (1701 – 1744), Рене Антуаном Фершо Реомюром (1683 – 1757), Даниэлем Габриэлем Фаренгейтом (1686 – 1736). Последний создал первые практически пригодные спиртовой и ртутный термометры, широко используемые до сих пор. Температурные шкалы Реомюра и Фаренгейта применяют в настоящее время в США, Великобритании и некоторых других странах.
Введенную в 1742 году температурную шкалу Цельсия, который предложил температурный интервал между температурами таяния льда и кипения воды при нормальном давлении (1 атм или 101 325 Па) разделить на сто равных частей (градусов Цельсия), широко используют и сегодня, правда в уточненном виде, когда один градус Цельсия считается равным одному кельвину (см. ниже). При этом температура таяния льда берется равной 0 oC, а температура кипения воды становится приблизительно равной 99,975 oC. Возникающие при этом поправки, как правило, не имеют существенного значения, так как большинство используемых спиртовых, ртутных и электронных термометров не обладают достаточной точностью (поскольку в этом обычно нет необходимости). Это позволяет не учитывать указанные, очень небольшие поправки.
После введения Международной системы единиц (СИ) к применению рекомендованы две температурные шкалы. Первая шкала – термодинамическая, которая не зависит от свойств используемого вещества (рабочего тела) и вводится посредством цикла Карно. Эта температурная шкала подробно рассмотрена в третьей главе. Отметим только, что единицей измерения температуры в этой температурной шкале является один кельвин (1 К), одна из семи основных единиц в системе СИ. Эта единица названа в честь английского физика Уильяма Томсона (лорда Кельвина) (1824 – 1907), который разрабатывал эту шкалу и сохранил величину единицы измерения температуры такой же, как и в температурной шкале Цельсия. Вторая рекомендованная температурная шкала – международная практическая. Эта шкала имеет 11 реперных точек – температуры фазовых переходов ряда чистых веществ, причём значения этих температурных точек постоянно уточняются. Единицей измерения температуры в международной практической шкале также является 1 К.
В настоящее время основной реперной точкой, как термодинамической шкалы, так и международной практической шкалы температур является тройная точка воды. Эта точка соответствует строго определенным значениям температуры и давления, при которых вода может одновременно существовать в твердом, жидком и газообразном состояниях. Причем, если состояние термодинамической системы определяется только значениями температуры и давления, то тройная точка может быть только одна. В системе СИ температура тройной точки воды принята равной 273,16 К при давлении 609 Па.
Кроме задания реперных точек, определяемых с помощью эталона температуры, необходимо выбрать термодинамическое свойство тела, описывающееся физической величиной, изменение которой является признаком изменения температуры или термометрическим признаком. Это свойство должно быть достаточно легко воспроизводимо, а физическая величина – легко измеряемой. Измерение указанной физической величины позволяет получить набор температурных точек (и соответствующих им значений температуры), промежуточных по отношению к реперным точкам.
Тело, с помощью измерения термометрического признака которого осуществляется измерение температуры, называется термометрическим телом.
Термометрическими признаками могут быть изменения: объёма газа или жидкости, электрического сопротивления тел, разности электрического потенциала на границе раздела двух проводящих тел и т. д. Соответствующие этим признакам приборы для измерения температуры (термометры) будут: газовый и ртутный термометры, термометры, использующие в качестве датчика термосопротивление или термопару.
Приводя термометрическое тело (датчик термометра) в состояние теплового контакта с тем телом, температуру которого необходимо измерить, можно на основании нулевого начала термодинамики утверждать, что по прошествии времени, достаточного для установления термодинамического равновесия, их температуры сравняются. Это позволяет приписать телу то же значение температуры, которое показывает термометр.
Другой метод измерения температуры реализован в пирометрах – приборах для измерения яркостной температуры тел по интенсивности их теплового излучения. При этом достигается равновесное состояние термодинамической системы, состоящей из самого пирометра и теплового излучения, принимаемого им. Подробнее это явление рассмотрено в разделе курса, посвящённом квантовым свойствам равновесного теплового излучения. Сейчас мы только отметим, что оптическая пирометрия (бесконтактные методы измерения температур) используется в металлургии для измерения температуры расплава и проката, в лабораторных и производственных процессах, где необходимо измерение температуры нагретых газов, а также при исследованиях плазмы.
Первый термометр был изобретён Галилео Галилеем (1564 – 1642) и представлял собой газовый термометр.
Газовый термометр постоянного объёма состоит из термометрического тела – порции газа, заключенной в сосуд, соединенный с помощью трубки с манометром. Измеряемая физическая величина (термометрический признак), обеспечивающая определение температуры, – давление газа при некотором фиксированном объёме. Постоянство объёма достигается тем, что вертикальным перемещением левой трубки уровень в правой трубке манометра доводится до одного и того же значения (опорной метки) и в этот момент производится измерения разности высот уровней жидкости в манометре. различных поправок (например, теплового расширения стеклянных деталей термометра, адсорбции газа и т. д.) позволяет достичь точности измерения температуры газовым термометром постоянного объема, равной одной тысячной кельвина.
Газовые термометры имеют то преимущество, что температура, определяемая с их помощью, при малых плотностях газа не зависит от природы используемого газа, а шкала газового термометра – хорошо совпадает с абсолютной шкалой температур (о ней подробно будет сказано ниже). Во второй главе мы подробнее опишем идеально-газовый термометр, определяющий абсолютную шкалу температур.
Газовые термометры используют для градуировки других видов термометров, например, жидкостных. Они более удобны на практике, однако, шкала жидкостного термометра, проградуированного по газовому, оказывается, как правило, неравномерной. Это связано с тем, что плотность жидкостей нелинейным образом зависит от их температуры.
Жидкостной термометр – это наиболее часто используемый в обыденной жизни термометр, основанный на изменении объёма жидкости при изменении её температуры. В ртутно-стеклянном термометре термометрическим телом является ртуть, помещенная в стеклянный баллон с капилляром. Термометрическим признаком является расстояние от мениска ртути в капилляре до произвольной фиксированной точки. Ртутные термометры используют в диапазоне температур от -35 oC до нескольких сотен градусов Цельсия. При высоких температурах (свыше 300 oC) в капилляр накачивают азот (давление до 100 атм или 107 Па), чтобы воспрепятствовать кипению ртути. Применение в жидкостном термометре вместо ртути таллия позволяет существенно понизить нижнюю границу измерения температуры до -59 oC.
Другими видами широко распространённых жидкостных термометров являются спиртовой (от -80 oC до +80 oC) и пентановый (от -200 oC до +35 oC). Отметим, что воду нельзя применять в качестве термометрического тела в жидкостном термометре: объём воды с повышением температуры сначала падает, а потом растёт, что делает невозможным использование объема воды в качестве термометрического признака.
С развитием измерительной техники, наиболее удобными техническими видами термометров стали те, в которых термометрическим признаком является электрический сигнал. Это термосопротивления (металлические и полупроводниковые) и термопары.
В металлическом термометре сопротивления измерение температуры основано на явлении роста сопротивления металла с ростом температуры. Для большинства металлов вблизи комнатной температуры эта зависимость близка к линейной, а для чистых металлов относительное изменение их сопротивления при повышении температуры на 1 К (температурный коэффициент сопротивления) имеет величину близкую к 4*10-3 1/К. Термометрическим признаком является электрическое сопротивление термометрического тела – металлической проволоки. Чаще всего используют платиновую проволоку, а также медную проволоку или их различные сплавы. Диапазон применения таких термометров от водородных температур (~20 К) до сотен градусов Цельсия. При низких температурах в металлических термометрах зависимость сопротивления от температуры становится существенно нелинейной, и термометр требует тщательной калибровки.
В полупроводниковом термометре сопротивления (термисторе) измерение температуры основано на явлении уменьшения сопротивления полупроводников с ростом температуры. Так как температурный коэффициент сопротивления полупроводников по абсолютной величине может значительно превосходить соответствующий коэффициент металлов, то и чувствительность таких термометров может значительно превосходить чувствительность металлических термометров.
Специально изготовленные полупроводниковые термосопротивления могут быть использованы при низких (гелиевых) температурах порядка нескольких кельвин. Однако следует учитывать то, что в обычных полупроводниковых сопротивлениях возникают дефекты, обусловленные воздействием низких температур. Это приводит к ухудшению воспроизводимости результатов измерений и требует использования в термосопротивлениях, специально подобранных полупроводниковых материалов.
Другой принцип измерения температуры реализован в термопарах. Термопара представляет собой электрический контур, спаянный из двух различных металлических проводников, один спай которых находится при измеряемой температуре (измерительный спай), а другой (свободный спай) – при известной температуре, например, при комнатной температуре. Из-за разности температур спаев возникает электродвижущая сила (термо-ЭДС), измерение которой позволяет определять разность температур спаев, а, следовательно, температуру измерительного спая.
В таком термометре термометрическим телом является спай двух металлов, а термометрическим признаком – возникающая в цепи термо-ЭДС. Чувствительность термопар составляет от единиц до сотен мкВ/К, а диапазон измеряемых температур от нескольких десятков кельвин (температуры жидкого азота) до полутора тысяч градусов Цельсия. Для высоких температур применяются термопары из благородных металлов. Наибольшее применение нашли термопары на основе спаев следующих материалов: медь-константан, железо-константан, хромель-алюмель, платинородий-платина.
Следует отметить, что термопара способна измерить только разность температур измерительного и свободного спаев. Свободный спай находится, как правило, при комнатной температуре. Поэтому для измерения температуры термопарой необходимо использовать дополнительный термометр для определения комнатной температуры или систему компенсации изменения температуры свободного спая.
В радиотехнике часто применяют понятие шумовой температуры, равной температуре, до которой должен быть нагрет резистор, согласованный с входным сопротивлением электронного устройства, чтобы мощность тепловых шумов этого устройства и резистора были равными в определенной полосе частот. Возможность введения такого понятия обусловлена пропорциональностью средней мощности шума (среднего квадрата шумового напряжения на электрическом сопротивлении) абсолютной температуре сопротивления. Это позволяет использовать шумовое напряжение в качестве термометрического признака для измерения температуры. Шумовые термометры используются для измерения низких температур (ниже нескольких кельвинов), а также в радиоастрономии для измерения радиационной (яркостной) температуры космических объектов.

ГЛАВА 2. ОПИСАНИЕ ПРИНЦИПА БЕСКОНТАКТНОГО МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ
Thermopiles – это термоэлементы включенные последовательно, которые используют известный Seebeck – эффект. Термоэлемент состоит из двух электропроводных материалов, которые расположены в виде проводящих дорожек и которые в одной точке (так называемой hot junction) контактируют друг с другом. Если за счет внешнего воздействия возникнет разница температур между точкой контакта (hot junction) и обеими открытыми концами (cold junction), то на обоих концах термоэлементов появится напряжение в несколько милливольт.
При бесконтактном способе измерения температуры повышение температуры точки «hot junction» вызывается за счет абсорбирования попадающего в эту точку инфракрасного излучения. Каждый объект излучает инфракрасный свет, причем энергия этого света повышается с повышением температуры объекта. Базируясь на этом эффекте Thermopile-модули измеряют излучаемую мощность и таким образом с высокой точностью определяют температуру объекта.
2.1 Люминесцентный метод измерения температуры
измерение температура люминесцентный бесконтактный
В основе люминесцентных методов измерения температуры лежит температурная зависимость интенсивности люминесцентного излучения некоторых люминофоров, которое находит применение в различных датчиках измерения температуры и термопокрытиях.
Современные волоконно-оптические датчики позволяют измерять многие характеристики лабораторных и промышленных объектов, в частности температуру. Не смотря на то, что их использование достаточно трудоемко, оно дает ряд преимуществ, использования подобных датчиков на практике:
безындукционность (т. е. неподверженность влиянию электромагнитной индукции); малые размеры датчиков, эластичность, механическая прочность, высокая коррозийная стойкость и т. д.
1. Датчик на основе теплового излучения. В качестве устройств для измерения температуры могут быть использованы волоконно-оптические датчики на основе теплового излучения, сущность которых раскрываемая в частности в состоит в следующем. Изучаемое вещество при температуре большей 0 К вследствие тепловых колебаний атомов и молекул испускает тепловое излучение. Энергия излучения увеличивается по мере повышения температуры, а длина волны, на которой излучение максимально, уменьшается. Соответственно для определения температуры можно использовать формулу Планка для энергии теплового излучения черного тела на фиксированной длине волны или в диапазоне волн.
Основным преимуществом данного способа является возможность бесконтактного измерения высоких температур. В зависимости от диапазона измеряемых температур выбирают световые детекторы и оптические волокна. Область измерения температур для волоконно-оптических датчиков излучения находится в пределах от 400 до 2000 °С. При использовании оптических волокон, прозрачных для инфракрасных лучей с длиной волны 2 мкм и более, можно осуществлять измерение и более низких температур.
2. Датчик на основе поглощения света полупроводником. Известны также волоконно-оптические датчики, работа которых основана на оптических свойствах некоторых полупроводников. Используемый полупроводник имеет граничную длину волны спектра оптического поглощения. Для света с более короткой длиной волны, чем у проводника, поглощение усиливается, причем по мере роста температуры граничная длина волны отодвигается в сторону более длинных волн (около 3 нм/К). При подаче на полупроводниковый кристалл луч от источника света, имеющего спектр излучения в окрестности указанной границы спектра поглощения, интенсивность света, проходящего через светочувствительную часть датчика, с повышением температуры будет падать. По выходному сигналу детектора, указанным методом можно регистрировать температуру.
Используя данный метод можно мерить температуру в интервале от 30 до 300 °С с погрешностью ±0,5 °С.
3. Датчик на основе флуоресценции. Данный датчик устроен следующим образом. На торец оптического волокна светочувствительной части нанесено флуоресцентное вещество. Флуоресцентное излучение, возникающее под воздействием ультрафиолетовых лучей, проводимых оптическим волокном, принимается этим же волокном. Температурный сигнал выявляется путем вычисления отношения соответствующих значений интенсивности флуоресцентного излучения для сигнала с длиной волны, сильно зависящего от температуры к интенсивности сигнала с другой длиной волны, слабо зависящего от температуры.
Область измеряемых температур таким датчиком находится в пределах от -50 до 200 °С с погрешностью ±0,1 °С.
Использование волоконно-оптических датчиков, при всей своей привлекательности, позволяет производить измерение температуры только в локальной точке объекта, что несколько сужает область их применения.
Заключение
Температура является одним из основных параметров, подлежащих контролю со стороны систем автоматического управления металлургическими процессами. В условиях агрессивных сред и высоких температур, наиболее подходящими для использования являются фотоэлектрические пирометры. Они позволяют контролировать температуру от 100 до 6000 0С и выше. Одним из главных достоинств данных устройств является отсутствие влияния температурного поля нагретого тела на измеритель, так как в процессе измерения они не вступают в непосредственный контакт друг с другом. Так же фотоэлектрические пирометры обеспечивают непрерывное автоматическое измерение и регистрацию температуры, что позволяет использовать их в системах автоматического управления процессами без дополнительных затрат на приобретение и обслуживание устройств сопряжения.
Представленный в работе обзор люминесцентных методов измерения
температуры по сравнению с контактными методами обладает теми же преимуществами, что и оптические методы. В то же время он является менее сложным при организации процесса изучения температуры и не менее точным по сравнению с другими оптическими методами. Кроме того, использование свойств люминесценции делает возможным разработку методов измерения температурных полей объектов сложной геометрической формы.
Из вышеприведенного обзора очевидна необходимость дальнейшей разработки и совершенствования технологий измерения температуры с использованием люминесцентных методов

Список литературы
1. Преображенский В. П. Теплотехнические измерения и приборы. М.: Энергия, 1978, – 704 с
2. Чистяков С. Ф., Радун Д. В. Теплотехнические измерения и приборы. М.: Высшая школа, 1972, – 392
3. Измерения в промышленности: Справ. Изд.
4. Никоненко В. А., Сильд Ю. А., Иванов И. А. системы метрологического обеспечения измерительных тепловизионных приборов. – Измерительная техника
5. Акылбаев Ж. С. Новые оптические методы исследования тепломассопереноса. Алматы: Гылым, 1995.
6. Большая советская энциклопедия, (эл. версия).
7. Годжаев Н. М. Оптика. Учебн. Пособие для вузов. М.: Высш. Школа, 1977.
8. Карицкая С. Г. Диагностика полей температур и скоростей люминесцентными методами. Дисс. на соискание ученой степени к. фм. н., 1997 год.
9. Ландсберг Г. С. Оптика. М.: Наука, 1976.
10. Линевег Ф. Измерение температур в технике. Справочник. Пер. с нем., М.: Металлургия, 1980.
11. vи др. Волоконнооптические датчики. Пер. с япон. Л.: Энергоктомиздат. Ленингр. отние, 1991.
12. Яворский Б. М., Детлаф А. А. Справочник по физике. М.: Наука, 1971.

К атегория:

Термическая обработка

Приборы и методы измерения температуры

В высокочастотной технике чаще применяются электрические методы измерения температуры, хотя в некоторых случаях может оказаться целесообразным применение неэлектрических методов, и поэтому они заслуживают упоминания.

Вся область измерения температуры условно делится на две части - термометрию, включающую определение температуры до 500-600 °С приборами (термометрами), и пирометрию, охватывающую измерение более высоких температур приборами, называемыми пирометрами.

Различают пять групп приборов для измерения температуры со следующими верхними пределами их применения:
— термометры расширения – 550 °С
— манометрические термометры – 550 °С
— электрические термометры сопротивления – 500 °С
— термоэлектрические пирометры – 1600 °С
— пирометры излучения (включая фотопирометры, для которых верхний предел практически не ограничен) – 2000 °С

Термометры расширения. Примером термометров расширения могут служить жидкостно-стеклянные термометры, широко применяемые для измерения температур в пределах от -80 до -(-500 °С - в случае изготовления из специального термометрического стекла и до +700 °С - при изготовлении из плавленого кварца.

Принцип действия жидкостно-стеклянных термометров основан на тепловом расширении жидкости, называемой обычно рабочим веществом термометра. В качестве рабочего вещества применяют ртуть, толуол, этиловый спирт, петролейный эфир, пентан и др.

Ртутные термометры обладают рядом преимуществ перед термометрами с другими жидкостями. Так, ртуть не смачивает стекла, что увеличивает точность отсчета показаний, имеет меньшую теплоемкость по сравнению с органическими жидкостями примерно в 12 раз, благодаря чему ртутные термометры менее инерционны.

Для целей технологической сигнализации и для применения в простейших схемах регулирования температуры изготовляются контактные ртутные термометры.

Различают термометры одноконтактные и двухконтактные. Первые обеспечивают замыкание электрического. контакта на фиксированной отметке шкалы, вторые - на любой отметке.

В цепи контактных термометров при 3-4 включениях в минуту допускается максимальный переменный ток, равный 1 а при напряжении 6 в.

К недостаткам жидкостно-стеклянных термометров следует отнести их хрупкость, невозможность дистанционной передачи показаний, большую термическую инерцию и затруднительность отсчета показаний из-за нечеткости шкалы и плохой видимости столбика жидкости в капилляре.

К термометрам расширения относятся также дилатометрические и биметаллические термометры.

Принцип действия дилатометрических и биметаллических термометров основан на изменении линейных размеров твердых тел в зависимости от изменения их температуры.

Термометры, основанные на расширении твердых тел, для измерительных целей используются сравнительно редко. Шире применяются температурные реле, основанные на этом принципе, имеющие своим назначением электрическую сигнализацию предельных температур, а также работу в схемах автоматических регуляторов температуры. Биметаллические термометры используются, кроме того, как компенсаторы влияния температуры в некоторых измерительных приборах.

Манометрические термометры. Манометрические термометры являются техническими приборами для измерения температуры в пределах от -50 до +550 °С в различных областях техники. Они имеют основную погрешность измерения, не превышающую + 1,5%.

Устройство манометрического термометра показано на рис. 1. Прибор состоит из термобаллона, погружаемого в среду с измеряемой температурой, капилляра и показывающего прибора, устройство которого не отличается от устройства обычного манометра. Герметически закрытая система, состоящая из термобдллона, капилляра и трубчатой пружины манометра, заполнена рабочим веществом, например, азотом. При нагревании термобаллона давление азота внутри системы увеличивается и трубчатая пружина несколько выпрямляется. Движение конца пружины вызывает поворот стрелки, указывающей на шкале прибора измеряемую температуру.

Манометрические термометры выполняются показывающими и самопишущими. Производятся также контактные манометрические термометры для целей электрической сигнализации предельных температур.

Преимуществами манометрических термометров по сравнению с жидкостно-стеклянными являются возможность автоматической записи показаний, возможность установки вторичного прибора на некотором расстоянии от места измерения благодаря наличию длинного (до 60 м) гибкого капилляра, соединяющего его с первичным прибором (термобаллоном), а также большая механическая прочность.

Общим недостатком этих приборов является большая термическая инерция и трудности ремонта при нарушении герметичности системы.

Термометры сопротивления. Термометры сопротивления представляют собой устройство, состоящее из тепловоспринимающей части, электроизмерительного прибора и источника тока.

Рис. 1. Манометрический термометр: 1 1 - термобаллон; 2 - капилляр; 3 - трубчатая пружина

Действие этого устройства основано на свойстве металлов увеличивать свое электрическое сопротивление при повышении температуры, вследствие чего изменяется ток в цепи, составленной из тепловоспринимающей части, источника тока и измерительного прибора. Тепловоспринимающая часть, или чувствительный элемент, термометра сопротивления представляет собой тонкую проволоку, намотанную на каркас из изоляционного материала. Длина чувствительного элемента термометра сопротивления составляет несколько сантиметров, и поэтому он измеряет температуру не в отдельной точке, а некоторую среднюю температуру тех слоев среды, которые находятся в области его расположения.

Электроизмерительными приборами, работающими в комплекте термометра сопротивления могут служить:
а) уравновешенный измерительный мост (простой или автоматический;
б) неуравновешенный измерительный мост;
в) логометр.

К металлам, применяемым для изготовления чувствительных элементов термометров сопротивления, предъявляются следующие требования:
1) большой температурный коэффициент сопротивления;
2) большое удельное сопротивление;
3) постоянство химических и физических свойств;
4) легкость получения одинаковых свойств.

Этим требованиям удовлетворяют чистые металлы: платина, медь, никель и железо.

Технические термометры сопротивления изготовляются преимущественно из платины, меди и в очень ограниченном количестве из никеля (условные обозначения ЭТП , ЭТМ и ЭТН ). В СССР серийно выпускаются термометры сопротивления с чувствительными элементами из платины и меди.

Платиновые термометры предназначаются для измерения температур в интервале от - 200 до + 500 °С. Медные термометры сопротивления применяются для длительного измерения температур в интервале от -50 до -4-100 °С. При более высоких температурах (до 150 °С) медные термометры могут быть использованы только для кратковременных измерений.

Термометры каждого типа-ЭТП, ЭТМ и ЭТН - по ГОСТ 6651-53 могут изготовляться различных разновидностей.

По условиям эксплуатации различают термометры стационарные и переносные; по числу чувствительных элементов - термометры с одним выводом и с несколькими; по числу выводных проводников от каждого чувствительного элемента - термометры с двумя, тремя и четырьмя проводниками; по степени инерционности различают термометры большой инерционности БИ, обыкновенной инерционности ОИ и малой инерционности МИ.

К достоинствам термометров сопротивления относятся:
1) высокая степень точности измерения температуры;
2) возможность градуировки шкалы прибора на любой температурный интервал в пределах допустимых температур;
3) возможность дистанционной передачи показаний и централизации контроля температуры путем присоединения нескольких термометров сопротивления через переключатель к одному измерительному прибору;
4) возможность автоматической записи измеряемой температуры.

Наиболее широко в комплекте с техническими термометрами сопротивления применяются магнитоэлектрические логометры, у которых отсчитывают температуру непосредственно по шкале и показания которых в известных пределах не зависят от колебаний напряжения источников тока.

В настоящее время в СССР распространены следующие приборы: ЛПБ-логометр профильный большой; ЛМПУ - логометр магнитоэлектрический профильный утопленного монтажа; CJIM - самопишущий логометр на 1, 3 или 6 точек измерения и записи.

Термоэлектрические пирометры. Термоэлектрический пирометр состоит из теплочувствительного элемента - термопары - и измерителя т. э. д. с. (термоэлектродвижущей силы).

Измерение температуры при помощи термопары основано на явлении, состоящем в том, что нагревание места спая проволок из разных металлов вызывает появление т. э. д. е., которая (при постоянной температуре холодных концов, называемых также, иногда свободными концами термопары) зависит только от температуры горячего спая (называемого иногда также рабочим спаем или рабочим концом термопары) и материала взятых проволок. Геометрические размеры и форма проволок на величину т. э. д. с. совершенно не влияют.

Зависимость т. э. д. с. термопары от температуры горячего спая определяется экспериментально путем градуировки при температуре свободных концов, равной t0 = 0 °С, и дается в виде таблицы или графика.

Для измерения т. э. д. с. к свободным концам термопары (рис. 22, а) или в разрыв одного из электродов (рис. 22, б) присоединяется магнитоэлектрический милливольтметр.

Включая прибор, мы тем самым вводим в цепь термопары третий проводник С, отличающийся по своей природе от проводников А и В.

Можно показать, что термоэлектродвижущая сила термопары не изменится от введения в ее цепь нового проводника, если только температуры концов этого проводника одинаковы. При таком условии схемы включения измерительного прибора а и б равноценны и отличаются только тем, что, кроме горячего спая, в одном случае имеются два холодных спая, а во втором - один холодный и два нейтральных.

Рис. 2. Включение прибора в термоэлектрическую цепь: а - вхолоднщй спай; б - в электрод

В качестве термоэлектродов, т. е. проводников, из которых составляется термопара, применяются металлы и сплавы, развивающие сравнительно большие т. э. д. с. Это дает возможность применять менее чувствительные, а следовательно, более надежные в эксплуатации приборы, служащие для измерения т. э. д. с.

Оценку величины т. э. д. с. различных термопар можно произвести, пользуясь термоэлектрическим рядом табл. 3, в которой приведены значения т. э. д. с. металлов и сплавов в паре с платиной при температуре горячего спая 100 °С и холодного спая 0 °С.

Т. э. д. с. любой пары из этого ряда получается алгебраическим вычитанием т. э. д. с. одного электрода из т. э. д. с. другого.

Важнейшим требованием, предъявляемым к термопаре, является постоянство ее термоэлектрической характеристики. В настоящее время для четырех различных типов термопар установлены стандартные градуировочные характеристики (ГОСТ 3044-45 и ГОСТ 6071-51).

По конструктивному выполнению термопары весьма разнообразны. В зависимости от назначения они выполняются с различной защитной арматурой, не меняющей градуировки термопары, но увеличивающей ее термическую инерцию.

В качестве вторичного измерительного прибора в комплекте с термопарой могут применяться показывающие, самопишущие или контактные милливольтметры или автоматические потенциометры. Для записи быстротекущих процессов нагрева может быть применен магнитоэлектрический осциллограф с чувствительным шлейфом.

Пирометры, основанные на использовании методов измерения температур тел по их излучению. Измерение температур тел по интенсивности их излучения осуществляется бесконтактным способом, не искажающим температурного поля объекта измерения, чем этот метод существенно отличается от методов, основанных на применении термоприемников, которые должны находиться в непосредственном контакте с телом, температуру которого измеряют.

Методы измерения температуры тел по интенсивности излучения основываются на следующих физических предпосылках:
1) с изменением температуры тела изменяется интенсивность излучения;
2) с изменением температуры тела интенсивность излучения меняется не только количественно, но и качественно, иначе говоря, изменяется состав лучистого потока, т. е. количественное соотношение лучей различных длин волн.

В соответствии с этими положениями различают три метода измерений:
1) радиационный, основанный на измерении суммарной мощности излучения нагретого тела;
2) оптический (монохроматический, яркостной), основанный на измерении мощности излучения для заданной длины волны;
3) цветовой, основанный на измерении отношения мощностей излучения для двух заданных длин волн и

На рис. 23 приведены кривые интенсивности излучения для абсолютно черного тела, которые показывают, что:
1) суммарная или интегральная мощность излучения (площадь, ограниченная кривой для соответствующей температуры и осью абсцисс) быстро растет с ростом температуры (закон Стефана - Больцмана);
2) максимум интенсивности излучения по мере роста температуры перемещается в область более коротких волн (закон Вина).

Полная, или интегральная, энергия излучения абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени температуры этого тела. Очевидно, измерив полную энергию излучения, мы можем определить температуру тела,

Рис. 3. Зависимость интенсивности лучеиспускания абсолютно черного тела от длины волны и абсолютной температуры

Такой метод измерения температуры носит название радиационного метода, а приборы, основанные на принципе измерения интегральной энергии излучения, называются радиационными пирометрами.

Радиационный пирометр, проградуированный по абсолютно черному телу, при измерении температуры физического тела (не абсолютно черного) будет давать заниженные показания, так как излучательная способность физических тел всегда меньше излу-чательной способности абсолютно черного тела. Эти показания могут быть исправлены, если известен коэффициент интегральной излучательной способности, представляющий отношение интегральной энергии излучения физического тела к интегральной энергии

излучения абсолютно черного тела при одной и той же температуре.

Для физических тел этот коэффициент всегда меньше единицы. Величина его зависит от материала тела, состояния поверхности, температуры и других факторов. Практически физическое тело излучает как абсолютно черное лишь в одном случае, когда оно находится в закрытой печи, внутренняя поверхность которой имеет ту же температуру, что и находящееся там тело. Глазок в печи может быть принят за абсолютно черное тело. В этом случае радиационный пирометр будет измерять истинную температуру.

Радиационные пирометры (рис. 4) различных конструкций состоят из двух основных частей: телескопа и измерительного прибора (показывающего или самопишущего).

Оптическая система телескопа концентрирует энергию излучения нагретого тела на термоприемнике. Термоприемник, помещенный внутри телескопа, обычно представляет собой миниатюрную термобатарею, т. э. д. с. которой служит мерой температуры нагретого тела.

В комплекте с радиационным пирометром могут применяться различного типа показывающие и самопишущие милливольтметры, а также лабораторные и автоматические потенциометры.

Оптический метод (монохроматический, яркостной) основан на определении интенсивности излучения нагретого тела, соответствующей вполне определенной длине волны. Практически в приборах используется излучение в некотором узком диапазоне длин волн от X до X f АХ. Обычно выбирают X = 0,65 мк из тех соображений, что к более длинным волнам человеческий глаз уже не восприимчив, волны же короче 0,65 мк могут быть срезаны при помощи красного светофильтра.

Рис. 4. Схема устройства радиационного пирометра: 1 - объектив; 2 - диафрагму; 3 - экран; 4- термобатарея; 5 - красный светофильтр; 6 - окуляр; 7 - гальванометр

Оптический пирометр, проградуированный по абсолютно черному телу, будет показывать при измерении температуры физических тел не действительную, а так называемую яркостную, или черную монохроматическую, температуру, так как коэффициент монохроматической излучательной способности, представляющий отношение интенсивности излучения физического тела и интенсивности излучения абсолютно черного тела в лучах заданной длины волны при одной и той же температуре, всегда меньше единицы.

Рис. 5. График поправок к оптическому пирометру

Для многих материалов коэффициенты монохроматической излучательной способности хорошо изучены. Пользуясь данными этой таблицы и кривыми поправок на неполноту излучения (рис. 5), можно определить поправку к яркостной температуре (показание оптического пирометра). Эту поправку следует прибавить к яр костной температуре для того, чтобы получить истинную.

Рис. 6. Схема устройства оптического пирометра: 1 - объектив; 2 - лампа накаливания; 3 - красный светофильтр; 4 - окуляр; 5 - реостат; 6 - аккумулятор; 7 - гальванометр;

Принцип действия прибора Изображение источника излучения, температуру которого хотят измерить, с помощью объектива получается в плоскости нити пирометрической лампочки. Наблюдатель, глядя в окуляр через красный светофильтр, видит нить лампочки, проектирующейся на фоне изображения источника излучения. Меняя положение движка реостата, можно установить такую силу тока пирометрической лампочки, при которой нить «исчезает» на фоне изображения. Это происходит в тог момент, когда яркость нити лампочки будет равна яркости изображения источника излучения. Соответствующая этому равенству яркостей сила тока отсчитывается по включенному в цепь амперметру, шкала которого обычно градуируется непосредственно в градусах яркостной температуры.

Каждый оптический пирометр имеет специальное устройство для монохроматизации (т. е. выделения одноцветных лучей) пучка лучей, попадающих в глаз наблюдателя. Для этой цели применяются стеклянные светофильтры из специального красного стекла.

Нить пирометрической лампочки стараются не нагревать выше 1500 °С, а измерение более высоких температур осуществляется путем уравнения яркости нити и ослабленной поглощающим фильтром яркости изображения источника излучения.

В соответствии с этим электроизмерительный прибор имеет две градусные шкалы: от 800 до 1400-1500 °С для работы без поглощающего фильтра и до 2000 °С с введенным между лампочкой и объективом поглощающим фильтром.

Оптические пирометры обеспечивают более высокую точность, чем радиационные, но не дают возможности осуществлять непрерывный отсчет температуры или ее автоматическую запись.

Цветовой метод измерения температуры основан на измерении интенсивностей излучения двух выбранных длин волн.

Цветовой метод измерения температуры теоретически является наиболее совершенным. Физические тела, температуру которых приходится измерять, являются чаще всего серыми излучателями, т. е. такими, которые, по сравнению с абсолютно черным телом, излучают слабее во всех частях спектра. Коэффициенты монохроматической излучательной способности этих тел имеют одинаковую величину для лучей любой длины волны. В этом случае отношение интенсивностей излучения не зависит от излучательной способности тела, и цветовой пирометр, проградуированный по абсолютно черному телу, должен показывать действительную температуру серого тела.

Практическое осуществление пирометра, использующего измерение отношения интенсивностей излучения для двух длин волн, оказывается достаточно сложным, поэтому последние не получили еще широкого распространения.

Фотоэлектрические пирометры. В фотоэлектрических пирометрах чувствительным органом, воспринимающим излучение раскаленных тел, является фотоэлемент.

Фотоэлемент представляет собой устройство, меняющее свои электрические свойства в зависимости от количества и качества падающего на его чувствительную поверхность излучения. Важной характеристикой фотоэлементов, применяемых в фотоэлектрических пирометрах, является их спектральная чувствительность, т. е. чувствительность к различным частям спектра излучения.

Фотоэлектрические пирометры можно разделить на три группы. К первой группе следует отнести фотопирометры, в которых используется вся или большая часть спектральной чувствительности фотоэлемента.

Эти фотопирометры реагируют на суммарную энергию излучения нагретого тела. В этом отношении их можно сравнить с радиационными пирометрами. Фотопирометры этой группы, проградуи-рованные по абсолютно черному телу, дают правильные показания лишь при измерении температуры тел, которые могут быть практически приняты за абсолютно черные.

Ко второй группе относятся фотопирометры, в которых так же, как и в оптических пирометрах, используется энергия излучения в узком диапазоне длин волн.

К третьей группе относятся цветовые фотопирометры, действие которых основано на измерении отношения интенсивностей излучения двух заданных длин волн.

В литературе описывается много различных схем и конструкций фотопирометров, однако серийно отечественной промышленностью выпускается только один тип ФЭП -3, предназначенный для измерения температуры прокатываемого металла в прокатных цехах. Прибор дает показания яркостной температуры и выпускается по классу 1.

Для измерения температуры при нагреве деталей или изделий токами высокой частоты может быть использован фотоэлектрический пирометр, разработанный НИИ ТВЧ им. проф. В. П. Вологдина. Головка этого прибора может быть установлена непосредственно на индукторе или отнесена от него на некоторое расстояние. Фотопирометр дает возможность автоматически отключать генератор при нагреве заготовки до заданной температуры.

Каждому равновесному состоянию тела можно приписать число (с размерностью), характеризующее температуру этого тела, причём, чем больше температура, тем больше это число. Указанное число называется температурным числом или значением температуры.

Для этого необходимо выбрать эталон температуры, то есть тело, которое при определённых условиях, равновесных и достаточно легко воспроизводимых, имело бы определённое температурное число. Это температурное число является реперной точкой соответствующей шкалы температур- упорядоченной последовательности температурных чисел, позволяющих количественно определять температуру того или иного тела. Температурная шкала позволяет косвенным образом измерить температуру тела путем прямого определения какого-либо его физического параметра, зависящего от температуры.

Наиболее известным примером эталона температуры является вода. Точки таяния льда и кипения воды при нормальном атмосферном давлении выбраны в качестве реперных точек в современных (но не обязательно изначальных) температурных шкалах, предложенных Андерсом Цельсием (1701 - 1744), Рене Антуаном Фершо Реомюром (1683 - 1757), Даниелем Габриелем Фаренгейтом (1686 - 1736). Последний создал первые практически пригодные спиртовой и ртутный термометры, широко используемые до сих пор. Температурные шкалы Реомюра и Фаренгейта применяют в настоящее время в США, Великобритании и некоторых других странах.

Введенную в 1742 году температурную шкалу Цельсия, который предложил температурный интервал между температурами таяния льда и кипения воды при нормальном давлении (1 атм или 101 325 Па) разделить на сто равных частей (градусов Цельсия), широко используют и сегодня, правда в уточненном виде, когда один градус Цельсия считается равным одному кельвину (см. ниже). При этом температура таяния льда берется равной 0 0 С, а температура кипения воды становится приблизительно равной 99,975 0 С. Возникающие при этом поправки, как правило, не имеют существенного значения, так как большинство используемых спиртовых, ртутных и электронных термометров не обладают достаточной точностью (поскольку в этом обычно нет необходимости), чтобы учитывать эти, очень небольшие поправки.

После введения Международной системы единиц (СИ) к применению рекомендованы две температурные шкалы. Первая шкала - термодинамическая, которая не зависит от рода термометрического вещества и вводится посредством цикла Карно. Эта температурная шкала будет подробно рассмотрена в третьей главе. Отметим только, что единицей измерения температуры в этой температурной шкале является один кельвин (1 К), одна из семи основных единиц в системе СИ. Эта единица названа в честь английского физика Уильяма Томсона (лорда Кельвина) (1824 - 1907), который разрабатывал эту шкалу и сохранил величину единицы измерения температуры такой же, как и в температурной шкале Цельсия. Вторая рекомендованная температурная шкала - международная практическая. Эта шкала имеет 11 реперных точек - температуры фазовых переходов ряда чистых веществ, причём значения этих температурных точек постоянно уточняются. Единицей измерения температуры в международной практической шкале также является 1 К.

Кроме задания реперных точек, определяемых с помощью эталона температуры, необходимо выбрать термодинамическое свойство тела, описывающиеся физической величиной, изменение которой является признаком изменения температуры или термометрическим признаком. Это свойство должно быть достаточно легко воспроизводимо, а физическая величина - легко измеряемой. Измерение указанной физической величины позволяет получить набор температурных точек (и соответствующих им температурных чисел), промежуточных по отношению к реперным точкам.

Термометрическими признаками могут быть изменения: объёма газа или жидкости, электрического сопротивления тел, разности электрического потенциала на границе раздела двух проводящих тел и т. д. Соответствующие этим признакам приборы для измерения температуры (термометры) будут: газовый и ртутный термометры, термосопротивление, термопара.

Приводя термометрическое тело (термометр) в состояние теплового контакта с тем телом, температуру которого необходимо измерить, можно на основании нулевого начала термодинамики утверждать, что по прошествии времени, достаточного для установления термодинамического равновесия, их температуры сравняются. Это позволяет приписать телу то же температурное число (значение температуры), которое показывает термометр.

Другой метод измерения температуры реализован в пирометрах - приборах для измерения яркостной температуры тел по интенсивности их теплового излучения. При этом достигается равновесное состояние термодинамической системы, состоящей из самого пирометра и теплового излучения, принимаемого им. Подробнее об этом будет изложено в разделе курса, посвящённом квантовым свойствам равновесного теплового излучения. Сейчас мы только отметим, что оптическая пирометрия (бесконтактные методы измерения температур) используется в металлургии для измерения температуры расплава и проката, в лабораторных и производственных процессах, где необходимо измерение температуры нагретых газов, а также при исследованиях плазмы.

Первый термометр был изобретён Галилео Галилеем(1564 - 1642) и представлял собой газовый термометр.

Рис. 1.1.

Газовый термометр постоянного объёма (см. рис. 1.1): термометрическое тело - порция газа, заключенная в сосуд, соединенный с помощью трубки с манометром. Измеряемая физическая величина (термометрический признак), обеспечивающая определение температуры, - давление газа при некотором фиксированном объёме. Постоянство объёма достигается тем, что вертикальным перемещением правой трубки уровень в левой трубке манометра доводится до одного и того же значения (опорной метки) и в этот момент производится измерения разности высот уровней жидкости в манометре. Учет различных поправок (например, теплового расширения стеклянных деталей термометра, адсорбции газа и т.д.) позволяет достичь точности измерения температуры газовым термометром постоянного объема, равной одной тысячной кельвина.

Газовые термометры имеют то преимущество, что температура, определяемая с их помощью, при малых плотностях газа не зависит от природы используемого газа, а шкала газового термометра - хорошо совпадает сабсолютной шкалой температур (о ней подробно будет сказано ниже). Во второй главе мы подробнее опишемидеально-газовый термометр, определяющий абсолютную шкалу температур.

Жидкостной термометр - это наиболее часто используемый в обыденной жизни термометр, основанный на изменении объёма жидкости при изменении её температуры. В ртутно-стеклянном термометре термометрическим телом является стеклянный баллон с капилляром и помещенная в него ртуть. Термометрическим признаком является расстояние от мениска ртути в капилляре до произвольной фиксированной точки. Ртутные термометры используют в диапазоне температур от -39 0 С до нескольких сотен градусов Цельсия. При высоких температурах (свыше 300 0 С) в капилляр накачивают азот (давление до 100 атм или 10 7 Па), чтобы воспрепятствовать кипению ртути. Добавлением таллия, нижнюю температуру, измеряемую ртутным термометром, можно существенно понизить до -59 0 С.

Другими видами широко распространённых жидкостных термометров являются спиртовой (от -10 0 С до +50 0 С) и пентановый (от -200 0 С до +20 0 С). Отметим, что воду нельзя применять в качестве термометрического тела в жидкостном термометре: объём воды с повышением температуры сначала падает, а потом растёт, что делает невозможным использование объема воды в качестве термометрического признака.

Однако, в связи с развитием измерительной техники, наиболее удобными техническими видами термометров стали те, в которых термометрическим признаком является электрический сигнал. Это термосопротивления (металлические и полупроводниковые) и термопары.

Металлический термометр сопротивления: измерение температуры основано на явлении роста сопротивления металла с ростом температуры. Для большинства металлов вблизи комнатной температуры эта зависимость близка к линейной, а для чистых металлов относительное изменение их сопротивления при повышении температуры на 1 К (температурный коэффициент сопротивления) имеет величину близкую к 4*10 -3 1/К. Термометрическим признаком является электрическое сопротивление термометрического тела - металлической проволоки. Чаще всего используют платиновую проволоку, а также медную проволоку или их различные сплавы. Диапазон применения таких термометров от водородных температур (~20 К) до сотен градусов Цельсия. При низких температурах в металлических термометрах зависимость сопротивления от температуры становится существенно нелинейной, и термометр требует тщательной калибровки.

Полупроводниковый термометр сопротивления (термистор): измерение температуры основано на явлении уменьшения сопротивления полупроводников с ростом температуры. Так как температурный коэффициент сопротивления полупроводников по абсолютной величине может значительно превосходить соответствующий коэффициент металлов, то и чувствительность таких термометров может значительно превосходить чувствительность металлических термометров.

Специально изготовленные полупроводниковые термосопротивления могут быть использованы при низких (гелиевых) температурах. Однако следует учитывать то, что в обычных полупроводниковых сопротивлениях возникают дефекты, обусловленные воздействием низких температур. Это приводит к ухудшению воспроизводимости результатов измерений и требует использования в термосопротивлениях, специально подобранных полупроводниковых материалов.

Термопара. Термопара представляет собой электрический контур, спаянный из двух различных металлических проводников, один спай которых находится при измеряемой температуре (измерительный спай), а другой (свободный спай) - при известной температуре, например, при комнатной температуре. Из-за разности температур спаев возникает электродвижущая сила (термо-ЭДС), измерение которой позволяет определять разность температур спаев, а, следовательно, температуру измерительного спая.

В таком термометре термометрическим телом является спай двух металлов, а термометрическим признаком - возникающая в цепи термо-ЭДС. Чувствительность термопар составляет от единиц до сотен мкВ/К, а диапазон измеряемых температур от азотных до полутора тысяч градусов Цельсия (для термопар из благородных металлов). Наибольшее применение нашли термопары: медьконстантановая, хромельалюмелиевая, платиновородиевая, иридиевородиевая.

Принцип действия

Принцип действия основан на эффекте Зеебека или, иначе, термоэлектрическом эффекте. Между соединёнными проводниками имеется контактная разность потенциалов; если стыки связанных в кольцо проводников находятся при одинаковой температуре, сумма таких разностей потенциалов равна нулю. Когда же стыки находятся при разных температурах, разность потенциалов между ними зависит от разности температур. Коэффициент пропорциональности в этой зависимости называют коэффициентом термо-ЭДС. У разных металлов коэффициент термо-ЭДС разный и, соответственно, разность потенциалов, возникающая между концами разных проводников, будет различная. Помещая спай из металлов с отличными от нуля коэффициентами термо-ЭДС в среду с температуройТ1, мы получим напряжение между противоположными контактами, находящимися при другой температуреТ2, которое будет пропорционально разности температурТ1иТ2.

Способы подключения

Наиболее распространены два способа подключения термопары к измерительным преобразователям: простой и дифференциальный. В первом случае измерительный преобразователь подключается напрямую к двум термоэлектродам. Во втором случае используются два проводника с разными коэффициентами термо-ЭДС, спаянные в двух концах, а измерительный преобразователь включается в разрыв одного из проводников.

Для дистанционного подключения термопар используются удлинительные или компенсационные провода. Удлинительные провода изготавливаются из того же материала, что и термоэлектроды, но могут иметь другой диаметр. Компенсационные провода используются в основном с термопарами из благородных металлов и имеют состав, отличный от состава термоэлектродов. Требования к проводам для подключения термопар установлены в стандарте МЭК 60584-3. Следующие основные рекомендации позволяют повысить точность измерительной системы, включающей термопарный датчик:

Миниатюрную термопару из очень тонкой проволоки следует подключать только с использованием удлинительных проводов большего диаметра; -- Не допускать по возможности механических натяжений и вибраций термопарной проволоки; -- При использовании длинных удлинительных проводов, во избежание наводок, следует соединить экран провода с экраном вольтметра и тщательно перекручивать провода; -- По возможности избегать резких температурных градиентов по длине термопары; -- Материал защитного чехла не должен загрязнять электроды термопары во всем рабочем диапазоне температур и должен обеспечить надежную защиту термопарной проволоки при работе во вредных условиях; -- Использовать удлинительные провода в их рабочем диапазоне и при минимальных градиентах температур; -- Для дополнительного контроля и диагностики измерений температуры применяют специальные термопары с четырьмя термоэлектродами, которые позволяют проводить дополнительные измерения сопротивления цепи для контроля целостности и надежности термопар.

Применение термопар

Для измерения температуры различных типов объектов и сред, а также в автоматизированных системах управления и контроля. Термопары извольфрам-рениевогосплава являются самыми высокотемпературными контактными датчиками температуры. Такие термопары незаменимы в металлургии для контроля температуры расплавленных металлов.

В 1920-х -- 1930-х годах термопары использовались для питания простейших радиоприемников и других слаботочных приборов. Вполне возможно использование термогенераторов для подзарядки АКБ современных слаботочных приборов (телефоны, камеры и т.п.) с использованием открытого огня.

Преимущества термопар

· Высокая точность измерения значений температуры (вплоть до ±0,01 °С).
· Большой температурный диапазон измерения: от?250°C до +2500°C.
· Простота.
· Дешевизна.
· Надёжность.

Недостатки

· Для получения высокой точности измерения температуры (до ±0,01 °С) требуется индивидуальная градуировка термопары.
· На показания влияет температура свободных концов, на которую необходимо вносить поправку. В современных конструкциях измерителей на основе термопар используется измерение температуры блока холодных спаев с помощью встроенного термистора или полупроводникового датчика и автоматическое введение поправки к измеренной ТЭДС.
· Эффект Пельтье (в момент снятия показаний необходимо исключить протекание тока через термопару, так как ток, протекающий через неё, охлаждает горячий спай и разогревает холодный).
· Зависимость ТЭДС от температуры существенно нелинейна. Это создает трудности при разработке вторичных преобразователей сигнала.
· Возникновение термоэлектрической неоднородности в результате резких перепадов температур, механических напряжений, коррозии и химических процессов в проводниках приводит к изменению градуировочной характеристики и погрешностям до 5 К.
· На большой длине термопарных и удлинительных проводов может возникать эффект «антенны» для существующих электромагнитных полей.

Рис. 1.2

Схема термопары типа К. При температуре спая проволок из хромеляиалюмеля равной 300°C и температуре свободных концов 0°C развивает термо-ЭДС 12,2мВ.

Медицинский портал - SvbIn

Что такое температура. Температура. Измерение и контроль температуры. Методы и средства измерения температуры Контактные методы и средства измерений температуры

Введение

Методы и технические средства
измерения температуры

1.1ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ

1.2Методы измерения температуры

1.2.1ОПИСАНИЕ ПРИНЦИПА БЕСКОНТАКТНОГО МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

1.2.2ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

Заключение

Список использованных источников.

Средства учета количества электричества и электрической энергии

Описание и применение пирометров

Нормирование точности и технические измерения

Медицинский портал - SvbIn

Что такое температура. Температура. Измерение и контроль температуры. Методы и средства измерения температуры Контактные методы и средства измерений температуры

Введение

Методы и технические средстваизмерения температуры

1.1ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ

1.2Методы измерения температуры

1.2.1ОПИСАНИЕ ПРИНЦИПА БЕСКОНТАКТНОГО МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

1.2.2ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

Заключение

Список использованных источников.

Средства учета количества электричества и электрической энергии

Описание и применение пирометров

Нормирование точности и технические измерения

Методы и технические средства
измерения температуры