Назначение, классификация приборов для измерения температуры

1 Назначение, классификация приборов для измерения температуры

 

Температурой называют величину, характеризующую тепловое состояние тела. 

Приборы для измерения  температуры бывают:

- контактные;

-бесконтактные.

К контактным относятся:

- термометры расширения;

- манометрические термометры;

-термоэлектрические преобразователи;

-термометры сопротивления.

К бесконтактным относятся: пирометры излучения.

Термометры расширения делятся на два типа:

- жидкостные термометры;

- термометры расширения твердых тел.

Принцип действие жидкостных термометров расширения основан  на различии коэффициентов объемного  расширения материала оболочки и  термометрического вещества. 

Бывают двух типов:

- палочные;

- с вложенной шкалой.

Палочные термометры имеют толстостенный капилляр наружным диаметром 6 - 8 мм, нижний конец которого образует резервуар для жидкости. Шкала наносится на внешнюю поверхность капилляра. В термометрах со вложенной шкалой капилляр - тонкостенный, переходящий в расширенный резервуар для ртути. Шкала наносится на пластинку из молочного стекла, которая вместе с капилляром заключена в стеклянную оболочку, прикрепленную к резервуару термометра.

Рисунок 1 – Жидкостной термометр расширения

а - палочный термометр расширения; б - термометр расширения с вложенной шкалой

Рисунок 2 – Жидкостные термометры расширения

Принцип действия термометров  расширения твердых тел основан  на изменении коэффициентов линейного  расширения двух металлов или двух полупроводников.

К термометрам расширения твердых тел относятся биметаллические и дилатометрические термометры, в которых используются свойства большинства твердых тел изменять свою длину под влиянием изменения температуры. Материал, из которого выполнен первый элемент, имеет большой температурный коэффициент линейного расширения, а материал второго элемента - малый. 

Биметаллические термометры могут быть изготовлены весьма малых  размеров, в чем состоит их существенное преимущество перед громоздкими  дилатометрическими термометрами. Они  просты при конструировании (поскольку  у них мало движущихся частей). Их изготовляют в самых разнообразных  исполнениях, они просты и дешевы.

Один  конец чувствительного элемента всегда закреплен неподвижно, а другой соединен с передаточным редуктором или непосредственно с регистрирующим устройством. В отличие от дилатометрических биметаллические термометры могут совершать лишь незначительную работу. Поэтому их используют, как правило, в качестве показывающих приборов и реже для передачи показаний на расстояние.          

Биметаллическими термометрами можно измерять температуру 

от – 50⁰С до  + 600 ⁰С.

 

Рисунок 3 – Биметаллический термометр.

Дилатометрические термометры часто используют там, где требуются  большие усилия в исполнительном механизме, например в регуляторах  температуры прямого действий, поскольку  для компенсации температурного расширения стержня его упругим  сжатием согласно закону Гука требуется  весьма большое усилие.

Диапазон измерений составляет примерно 0 - 1000 ⁰С. Большая длина чувствительных элементов таких термометров не позволяет определять с их помощью температуру в отдельных точках; они показывают температуру, усредненную по всей длине.

Рисунок 4 – Дилатометрический  термометр

Пределы измерения термометров расширения: -70С - +700С.

Принцип действия манометрических  термометров основан на изменении  давления в замкнутой системе.  При изменении температурыизмеряемой среды давление в системе изменяется, в результате чего чувствительный элемент перемещает стрелку или перо по шкале манометра, отградуированного в градусах температуры.

Типы манометрических  термометров:

- газонаполненные – вся система заполнена газом под некоторым начальным давлением, длина капилляра до 60 сантиметров;

- жидкостные – вся  система заполнена жидкостью,  длина капиллярной трубки до 25 сантиметров;

- конденсационные – термобаллон на 2/3 заполнен жидкостью, а все остальное пространство ее парами, длина капилляра до 10 м.

Пределы измерения: -70С - +700С

1 - пружина манометрическая, 2 - стрелка показывающая, 3 - ось, 4 - механизм передаточный, 5 - капилляр, 6 – термобаллон

Рисунок 5-  Схема манометрического термометра

Рисунок 6 – Манометрический термометр

Принцип действия термометров  сопротивления основан на изменении  сопротивления проводников или  полупроводников при изменении  температуры. Пределы измерения  таких термометров от -200С до +650С.

Платиновые термометры изготавливают  из проволоки 0,05-0,07мм, которую безиндукцинно наматывают на пластину с зубчатыми краями. С обеих сторон пластину перекрывают двумя слюдяными накладками ,все три пластины скрепляют серебряной лентой. К концам платиновой проволоки приваривают два более толстых провода, эти провода изолируют друг от друга фарфоровыми бусами и подсоединяют к зажимам головки. Эти провода вместе с чувствительным элементом заключают в алюминиевую тонкостенную защитную трубку, а её в защитный чехол. 

Может быть выполнен из металлического или полупроводникового материала. В последнем случае называется термистором.

1 - чувствительный элемент,2- провода, 3 - корпус, 4 - штуцер крепления корпуса, 5 - клеммы, 6 - штуцер для вывода проводов.

Рисунок 7 – Схема термометра сопротивления

Рисунок 8 – Термометр сопротивления

 

 

 

 

Таблица 1 – Классификация  термометров сопротивления 

Теромотер сопротивления	Номинальное сопротивление  при 0С, Ом	Градуировка	Предел измерений
			Верхний	Нижний
ТСП	10	10П	0	650
ТСП	46	50П	-200	500
ТСП	100	100П	-200	500
ТСМ	53	50М	-50	180
ТСМ	100	100М	-50	180

 

Требования к материалам термометров сопротивления:

- Металл не должен окисляться и вступать в химическое взаимодействие с контролируемой средой.

- Температурный коэффициент электрического сопривления должен быть достаточно большим и не изменным.

- Сопротивление должно изменяться по прямой или плавной кривой без резких отклонений.

- Удельное электрическое сопротивление должно быть достаточно большим.

Пирометры излучений различаются  на радиационные, фотоэлектрические, цветовые, инфракрасные. Их принцип действия основан на измерении лучистой энергии испускаемой нагретым телом. Для определения зависимости между температурой и ее длинной волны ввели понятие реального тела и условных температур.

Условная температура  может быть:

- радиационной

- яркостной

-цветовой

Радиационная  температура равна температуре  абсолютно черного тела, при которой  его яркость равна яркости  излучающего тела.

,

Рисунок 9 –  Радиационный пирометр

Яркостной температурой называют такую температуру черного  тела при которой монохроматические яркости при постоянной длине равны между собой

Рисунок 10 –  Оптический пирометр

Цветовой  температурой называют такую температуру,  при которой отношение монохроматических  яркостей при двух длинах волн у  реального тела и абсолютно черного  равны между собой.

 

Рисунок 11- Цветовой пирометр

Рисунок 12- Инфракрасный пирометр

Пределы измерения: 0С - +600С.

Принцип действия термоэлектрических преобразователей (термопар) основан  на термоэлектрическом эффекте, заключающегося в том, что в замкнутой цепи из двух разнородных проводников  возникает электрический ток, если хотябы два места соединения проводников имеют разную температуру.

Термоэлектрический эффект объясняется наличием свободных  электронов в металле число которых  различно для различных металлов.

 

2 Конструкция и принцип действия термоэлектрических преобразователей

 

Термопара состоит из двух разнородных термоэлектродов, которые запаиваются с одного конца. Сварка проводов, изготовленных из разных металлов, выполняется таким образом, чтобы получилось небольшое по размеру соединение - спай. Провода можно просто скрутить, однако такое соединение ненадежно и имеет большой уровень шумов. Сварку металлов иногда заменяют пайкой, однако верхний температурный диапазон такой термопары ограничен температурой плавления припоя. При температурах, близких к температуре плавления припоя, контакт разнородных металлов в термопаре может нарушаться. Термопары, изготовленные сваркой, выдерживают более высокие температуры, однако химический состав термопары и структура металла в месте сварки могут нарушаться, что приводит к разбросу температурных коэффициентов термопар. Затем на термоэлектроды одевают фарфоровые трубки или бусинки (одноканальные или двухканальные). После чего термопару помещают в металлический или фарфоровый защитный чехол. Свободные концы термопары подсоединятся к зажимам головки. Через штуцер головки к этим зажимам присоединяются компенсационные провода. Место соединения защитной трубки и головки заливают смолой для предохранения от попадания различных металлических примесей на термоэлектроды.

Правильное измерение  температуры возможно лишь при постоянстве  температурыхолодных спаев. Это условие обеспечивается с помощью соединительных проводови специальным термостатирующим устройством. Соединительные (компенсационные) провода предназначены для удаления холодных спаев термопары как можно дальше от объекта измерения. Они должны быть подобны термопаре.

Рисунок 13 – Термоэлектрические преобразователи

Рисунок 14 – Условное обозначение термопар

Требования к материалам термопар:

- Устойчивость к высоким температурам.

-Постоянство термо-ЭДС во времени.

- Возможно большая термо-ЭДС и однозначная зависимость ее от температуры.

- Небольшой коэффициент электрического сопротивления и большая электропроводность.

- Воспроизводилось термоэлектрических свойств, обеспечивающая их взаимозаменяемость термопар.

Термопары различаются от вида термоэлектродов.

 

 

Таблица 2- Типы термопар

Тип термопары	Особенности применения	Пределы измерений
		Нижний	Верхний
ТХА	Обладают: — наиболее близкой  к прямой характеристикой. Предназначены для работы в окислительных и инертных средах	-200С	+1000С
ТХК	Обладают: - наибольшей чувствительностью;  - высокой термоэлектрической;                    -стабильностью при температурах до 600°С.  Предназначены для работы в окислительных и инертных средах.  Недостаток: высокая чувствительность к деформациям	-200С	+800С
ТПП	Обладают: - хорошей устойчивостью к газовой коррозии, особенно на воздухе при высоких температурах;  - высокой надежностью при работе в вакууме (но менее стабильны в нейтральных средах).  Предназначены для длительной эксплуатации в окислительных средах. Недостаток: высокая чувствительность термоэлектродов к любым загрязнениям, появившимся при изготовлении, монтаже или эксплуатации термопар	0С	+1300С
ТВР	Обладают: - возможностью длительного применения при температурах до 2200°С в неокислительных средах;  - устойчивостью в аргоне, гелии, сухом водороде и азоте.  Термопары с термоэлектродами из сплава платины с 10% родия относительно электрода из чистой платины могут использоваться как стандартные для установления номинальных статических     характеристик термопар методом  сравнения.  Недостаток - плохая воспроизводимость термоЭДС, вынуждающая группировать термоэлектродные пары по группам с номинальными статическими характеристиками А-1, А-2, А-3	0С	+2500С
ТНН	Обладают: - высокой стабильностью термоЭДС (по сравнению с термопарами ТХА, ТПП, ТПР);  - высокой радиационной стойкостью;  - высокой стойкостью к окислению электродов.  Предназначены в качестве универсального средства измерения температур в диапазоне температур 0-1230°С	-270С	+1300С