Технические измерения и приборы

6.1.ПРАКТИЧЕСКИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ШКАЛЫ

Внастоящее время применяется Международная практическая температурная шкала (МТШ-90) редакции 1989 г. Согласно МТШ-90 основной температурой является термодинамическая температура (T).

Единица измерения температуры Кельвин (К) – 1/273,16 часть термодинамической температуры равновесия между твердой, жидкой

игазообразной фазами воды (тройная точка воды).

Единица, применяемая для выражения температуры Цельсия, – градус Цельсия ( C), который равен Кельвину.

Температура в градусах Цельсия определяется из выражения t T T0 , где T0 = 273,15 К.

Разность температур выражается как в Кельвинах, так и в градусах Цельсия. МТШ-90 выбрана таким образом, чтобы температура, измеренная по этой шкале, была близка к термодинамической температуре с точностью, обеспечиваемой современными средствами измерений. МТШ-90 основана на значении температур, присвоенных 11 воспроизводимым состояниям равновесия, и на специально аттестованных интерполяционных приборах.

Интерполяция между температурами постоянных точек производится по формулам, служащим для установления связи между показаниями этих приборов и значениями международной практической температурной шкалы.

Основные постоянные точки воспроизводят, осуществляя состояние равновесия между фазами чистых веществ. В табл. 6.1 приведены состояния равновесия и присвоенные им значения температуры, определенные по термодинамической шкале.

МТШ-90 позволяет определять температуру рабочими средствами измерения по термодинамической шкале с погрешностью, определяемой методом измерения. МТШ-90 обеспечивает измерение температур в интервале от 13,81 до 6300 К.

В качестве эталонного средства измерения для области температур от 13,81 до 903,89 K (630,74 °C) применяют термометр сопротивления, изготовленный из платиновой проволоки.

161

Т а б л и ц а 6 . 1

Основные реперные точки МТШ-90

Для области температур от 630,74 до 1064,43 °C в качестве эталонного термометра применяется платинородий – платиновый термоэлектрический термометр.

Для области температур от 1337,58 K (1064,3 °C) до 6300 К применяется квазимонохроматический пирометр.

Кроме МТШ-90 установлены практические температурные шкалы (ГОСТ 8.157-75), которые предназначены для осуществления единообразных измерений температуры в диапазоне от 0,01 до 100 000 К.

162

Для диапазона 0,01…0,8 K установлена температурная шкала термометра магнитной восприимчивости (ТШТМВ), основанная на зависимости магнитной восприимчивости термометра из церий– магниевого нитрата от температуры.

Вдиапазоне от 0,8 до 1,5 K установлена шкала конденсационного термометра 3He 1962 г., основанная на зависимости давления насыщенных паров изотопа гелия-3 от температуры.

Вдиапазоне от 1,5 до 4,2 K применяется шкала конденсационного термометра 4Не 1958 г., основанная на зависимости давления насыщенных паров изотопа гелия-4 от температуры.

Температурная шкала германиевого термометра электрического сопротивления (ТШГТС) основана на зависимости сопротивления германиевого термометра от температуры Т и установлена для диапазона температур от 4,2 до 13,81 К.

Температурная шкала пирометра микроволнового излучения (ТШПМИ) основана на зависимости спектральной плотности энергии излучения L (T) черного тела от температуры T в микроволновом диапазоне излучения и установлена для диапазона от 6300 до 100 000 К.

Взарубежной литературе наряду с выражением температуры

вКельвинах (К) и градусах Цельсия (°С) используется градус Фаренгейта (°F) и градус Ренкина (°Ra).

Пересчет числовых значений температуры, выраженной в градусах одной шкалы, в градусы другой производят по следующим формулам:

Средства измерения температур

Термометр – средство для измерения температуры, предназначенное для выработки сигнала в форме, удобной для восприятия наблюдателем, автоматической обработки, передачи и использования в автоматических системах управления.

Пирометр – средство для измерения температуры по тепловому электромагнитному излучению, применяется для бесконтактного измерения температуры.

163

В настоящее время применяются десятки различных способов измерения температуры (ГОСТ 13417–76). В табл. 6.2 приведены наиболее распространенные в промышленности средства измерения температуры и указаны пределы применения серийных средств измерения. В скобках указаны пределы применения средств измерения для специальных целей.

Т а б л и ц а 6 . 2

Диапазоны применения промышленных средств измерения температуры

6.2.ТЕРМОМЕТРЫ РАСШИРЕНИЯ

6.2.1.Стеклянные жидкостные термометры

Принцип действия стеклянных жидкостных термометров основан на расширении термометрической жидкости, заключенной в термометре, в зависимости от температуры.

Стеклянные термометры по своей конструкции бывают палочные и с вложенной шкалой. Термометр с вложенной шкалой состоит

164

165

К недостаткам ртути как термометрического вещества относится малый температурный коэффициент объемного расширения, что требует изготовления термометров с тонкими капиллярами.

Нижний предел измерения ртутных термометров 35 °C определяется температурой затвердевания ртути. Верхний предел измерения +600 °C определяется прочностными характеристиками стекла. Для термометров с верхним пределом измерения 600 °C давление газа над ртутью превышает 3 МПа (30 кгс/см2).

Стеклянные термометры с органическими термометрическими жидкостями применяются в интервале температур от 200 до +200 °C. Эти жидкости смачивают стекло и поэтому требуют применения капилляров с относительно большим диаметром канала.

Достоинства стеклянных жидкостных термометров:

–высокая точность измерения;

–простота;

–дешевизна.

Недостатки стеклянных термометров:

–относительно плохая видимость шкалы;

–практическая невозможность передачи показаний на расстояние;

–невозможность автоматической регистрации показаний;

–невозможность ремонта термометров.

По методике градуировки термометры делятся на две группы:

1)термометры, градуируемые при полном погружении;

2)термометры, градуируемые при неполном погружении (как правило, при определенной длине погружения нижней части).

Термометры первой группы применяются в лабораторных условиях и позволяют обеспечить более высокую точность. Глубина их погружения должна изменяться при изменении температуры.

Термометры второй группы технические, которые применяются для измерения температур в промышленности; глубина их погружения должна быть постоянной.

Допускаемые погрешности технических термометров не должны превышать деления шкалы. Например, при цене деления 0,5 °C

166

предел допускаемой погрешности составляет ±0,5 °C, а при цене деления 10 °C предел составляет ±10 °C.

Технические электроконтактные термометры

Технические электроконтактные термометры применяют для сигнализации и регулирования температуры в интервале от –30 °С до +300 °С. Эти термометры изготовляют с заданной температурой контактирования (ТЗК) или с подвижным контактом (ТПК).

Технические электроконтактные термометры могут работать в цепях переменного и постоянного тока. Коммутируемая мощность ≤ 1 В А, ток коммутации ≤ 0,04 А, напряжение ≤ 200 В.

Замыкание электрической цепи между контактами в контактных термометрах происходит вследствие расширения ртути при нагревании нижней части термометра.

Термометры типа ТЗК (рис. 6.2) выпускают с постоянными впаянными в капилляр 1 металлическими контактами 2, к которым припаяны медные провода, присоединенные к зажимам 3, Термометры могут иметь одну, две или три точки контактирования. Контакты впаивают в капилляр термометра в местах, соответствующих определенным значениям температуры контактирования.

Минимальные интервалы между двумя соседними контактами обычно составляют не менее 5, 10, 20 и 30 °С для температуры контактирования соответственно до 50, 100, 160 и 300 °С.

Термометр типа ТПК показан на рис. 6.3. Он имеет один неподвижный контакт 11, соединенный с термометрической жидкостью и один подвижный контакт 10, выполненный из тонкой вольфрамовой проволоки, верхний конец которой соединен с гайкой 9. Нижний конец вольфрамовой проволоки, находящейся в измерительном капилляре, является подвижным контактом термометра. Вверху термометра расположена вспомогательная шкала 4, указателем которой при настройке термометра является гайка 9, последняя может перемещаться по винту 5 вверх и вниз. Вращение винта 5, а следовательно, и перемещение гайки 9, осуществляют с помощью подковообразного магнита 3 с ручкой 2. Внизу термометра расположена основная шкала 6.

167

При перемещении гайки 9 по винту 5 на определенную отметку верхней шкалы нижний конец подвижного контакта установится против соответствующей отметки основной шкалы. Неподвижный контакт 11 и подвижный контакт 10 соединены с зажимами 1.

При нагревании нижней части термометра до заданной температуры ртуть в капилляре 7 соединит неподвижный контакт с подвиж-

168

ным контактом. В результате происходит переключение внешней электрической цепи, соединенной с зажимами 1.

Стеклянные термометры являются одним из наиболее точных средств измерения температуры.

6.2.2. Манометрические термометры

Принцип действия манометрических термометров основан на зависимости давления термометрического вещества в герметически замкнутом объеме от температуры.

Термосистема манометрического термометра (рис. 6.4) состоит из термобаллона 1, капилляра 2 и манометрической пружины, один конец которой соединен с капилляром, а другой, запаянный конец пружины, соединен со стрелкой измери-

ные газовые манометрические термометры могут применяться и для измерения и более низких температур, например, водородный газовый термометр может применяться до минус 250 °C, а гелиевый – до минус 267 °C. Термометры со специальным заполнителем применяются для измерения температур от 100 до 1000 °C (ГОСТ 8624–80).

169

Термобаллон термометра погружается в измеряемую среду, и рабочее вещество, находящееся в термобаллоне, принимает температуру измеряемой среды. При этом в термосистеме устанавливается давление, определяемое температурой измеряемой среды. При повышении температуры давление повышается, при уменьшении температуры понижается. Изменение давления рабочего вещества через гибкий капилляр передается на измерительный прибор, являющийся частью манометрического термометра. Измерительным прибором является пружинный манометр.

6.2.2.1. Газовые манометрические термометры

Газовые манометрические термометры предназначены для измерения температуры от минус 150 до плюс 600 °C. В качестве рабочего вещества в газовых термометрах применяется азот. Зависимость давления газа от температуры при постоянном объеме описывается линейным уравнением

pt p0 1 t ,

где pt и p0 давление газа при температурах 0 и t °C; – температурный

где рн и рк – давление газа при температурах, соответствующих началу tн и концу tк шкалы термометра.

Реальное уравнение шкалы несколько отличается от линейного. Объясняется это тем, что при изменении температуры за счет теплового расширения изменяется объем термобаллона, а также изменяется с давлением внутренний объем манометрической пружины, поэтому объем термосистемы не постоянен. Однако это отклонение незначи-

170