6. Средства измерения температуры.

1. Общие сведения

Температура - физическая величина, оп­ределяемая как параметр состояния термоди­намического равновесия макроскопических систем. Термодинамическая температура всегда поло­жительна и измеряется с помощью термоди­намической шкалы (ТШ), единицей которой служит Кельвин (К). С общепринятой шкалой Цельсия ТШ связана соотношением

t(˚С) = Т (К) - 273,15

где Т - термодинамическая температура. Еди­ница температурного интервала - Кельвин с высокой точностью совпадает с градусом Цельсия (° С).

Температура - величина экстенсивная, то есть измеряемая косвенным образом за счет преобразования ее в какую-либо интенсивную (непосредственно измеряемую) величину, на­пример электрический ток, давление газа, тепловое расширение тел и т. д.) на основе использования соответствующих термометри­ческих свойств тел.

2. Методы

Методы принято делить на две большие группы - контактные и бесконтактные, кото­рые, в свою очередь, подразделяются по физи­ческим эффектам, положенным в основу принципа их действия.

2.1 КОНТАКТНЫЕ МЕТОДЫ

Термометры расширения. К этой группе приборов относятся широко распространенные жидкостные (ртутные, спиртовые и др.) тер­мометры, а также биметаллические и дилато­метрические термометры.

Действие жидкостных термометров осно­вано на измерении объема жидкости при нагреве и охлаждении. Они состоят из напол­ненного термометрической жидкостью стек­лянного резервуара, соединенного с капилляр­ной трубкой, свободный конец которой запа­ян. Резервуар, капилляр и скрепленная с ними шкала заключены в корпус (обычно стеклян­ный). Диапазон измерения* от -80°С до +21°С спиртовых и от -35°С до +760°С для ртутных термометров. Верхний предел ог­раничен температурой размягчения стекла, равной 780°С. Жидкостные термометры расширения применяют для измерения температур в не­посредственной близости от объекта. "Область их применения - термометрия газов и жидко­стей, расплавов и т. п., медицина.

Дилатометрические термометры (ДЛТ) основаны на относительном удлинении при нагреве (охлаждении) двух тел (обычно метал­лических) с различными температурными ко­эффициентами линейного расширения (ТКЛР). ДЛТ бывают стержневого и пластин­чатого типов. Стержневые ДЛТ представляют собой металлическую трубку с закрытым дном, в которую вставлен стержень из материала с малым КЛР (кварц, фарфор). КЛР стержня значительно меньше КЛР трубки, поэтому при ее нагреве стержень перемещается и приводит в движение измерительный орган прибора (стрелка и т.п. указатель).

ДЛТ для пластинчатого типа состоит из двух изогнутых и спаянных между собой по краям металлических полосок с различными КЛР. Изменение степени изгиба пластинки при нагреве (охлаждении) передается (обычно механически) указателю прибора. Основная область применения ДЛТ -датчики в системах автоматического регулиро­вания, сигнализации и т.д. Диапазон рабочих температур от -30 до +1000°С. Погрешность порядка 1 + 3 %. ДЛТ особенно часто приме­няют для контроля температур газов и жидко­стей, особенно в тяжелых условиях (в стволах скважин и т.д.).

Манометрическая термометрия. Принцип действия манометрических термометров (МТ) основан на зависимости давления жидкости, газа или пара с жидкостью в замкнутой систе­ме постоянного объема от температуры. Эти приборы могут быть показывающими или регистрирующими. МТ состоят из термобал­лона, трубчатой пружины и соединительной капиллярной трубки, выполняемой обычно из металла и имеющей длину до 60 м.

Эти приборы особенно эффективны при контроле температуры в сложных условиях, в агрессивных средах, взрывоопасных помеще­ниях.

Методы электротермометрии.

Эти методы подразделяют на термоэлектрические, термо-резистивные, термотранзисторные, термошу­мовые, частотные.

Действие термоэлектрических термопар­ных датчиков основано на эффекте Зеебека, заключающегося в том, что в замкнутой цепи, составленной из разнородных проводников (или полупроводников), возникает электри­ческий ток, если температура мест соединения их различна.

По материалу термоэлектродов термопа­ры делят на две группы - из неблагородных и благородных металлов и сплавов. Наибольшее распространение получили термопары из пла­тины, платинородия, хромеля, алюмеля, копеля, а также железа, меди и константана.

Серийно выпускаются термопары платинородиевые платиновые (ТПП), платинороди-евые (ТПР), хромель-копелевые (ТХК), хромель-алюмелевые (ТХА), вольфрам-рениевые (ТВР). Широкое применение термопар (ТП) обусловило разнообразие их конструкций. По способу контакта со средой, различают погру­жаемые и поверхностные ТП; по условиям эксплуатации - стационарные, переносные, разовые и многократного применения; в за­щищенных от коррозии и агрессивных сред корпусах и т.п.

Термопары являются датчиками активно­го типа (генераторами тока). Для регистрации сигналов термопар ис­пользуют милливольтметры магнитоэлектри­ческой системы, автоматические электронные потенциометры, цифровые измерительные устройства, в том числе с микропроцессорной обработкой сигналов.

Градуировку термопар, их поверку про­изводят с помощью водяных и масляных тер­мостатов (при t <, +300°С), образцовых плати­новых термопреобразователей.

Действие терморезистивных преобразова­телей (TP) основано на свойстве металлов из­менять электрическое сопротивление при из­менении температуры. TP применяют в комп­лекте со вторичными электроизмерительными приборами (мостовые схемы). В металлических TP зависимость сопротивления от температуры близка к линейной. Лучшим материалом для TP является платина.

2.2 БЕСКОНТАКТНЫЕ МЕТОДЫ

Методы пирометрии.

Законы излучения абсолютно черного те­ла (АЧТ) могут применяться с известной по­правкой для большинства реальных тел. Для реальных тел законы излучения АЧТ применимы только в первом приближении. Их излучение может отличаться от излучения АЧТ при той же температуре как спектраль­ным составом, так и интенсивностью. Тела, излучение которых имеет тот же спектр, что и излучение АЧТ при данной температуре, и отличается от него только интенсивностью, называются серыми. Для оценки излучательной способности реальных (серых) тел вводят понятие коэффи­циента излучения ε(λ, Т) < 1,0.

Источники излучения, спектр которых от­личается от спектра АЧТ при данной темпера­туре, называются селективными. При определении температуры изделий, находящихся в непосредственной близости от высоконагретых тел, необходимо учитывать излучение фона, отраженное от объекта конт­роля, поскольку детекторы ИК-излучения, как правило, регистрируют именно суммарное излучение. Необходимо учитывать также эффекты ослабления ИК-излучения в атмосфере или среде, отделяющих изделие от детектора.

Яркостные визуальные пирометры применяют для измерения яркостных температур выше 600˚С (рис.26). Принцип их действия основан на зависимости спектральной яркости нагретых тел от температуры, описываемой законами Планка и Вина. Объектив 2 проектирует объект 1 через диафрагму 3 и нейтральный фильтр 4 на плоскость 5. В этой плоскости находится нить спектральной пирометрической лампы, которая рассматривается через красный фильтр 7 с помощью окуляра 6. Наблюдатель видит одновременно изображение лампы и объекта. Потенциометром меняют яркость лампы до исчезновения ее изображения на фоне объекта, затем определяют соответствующий этому моменту ток лампы и по градуировочной шкале прибора температуру объекта. Недостатком метода является субъектив­ность измерения, преимуществом - простота и удобство в работе.

Рис. 26 Схема яркостного пирометра

а,б,в – поле зрения прибора для различных режимов накала нити лампы

Действие цветовых пирометров основано на сравнении интенсивности излучения объек­та в двух спектральных диапазонах. Логарифм их отношения обратно пропорционален цвето­вой температуре объекта. Оптическая схема цветового пирометра обычно содержит два цветных фильтра, через которые с помощью модулятора поток излучения от объекта попе­ременно направляется на фотоприемник.

Рис. 27 Схема цветового пирометра

1 – объект, 2 – объектив, 3 – модулятор, 4,5 – селективные светофильтры, 6 – приемник излучения, 7 – электронная схема, 8 – регистратор.

Для визуализации тепловых полей при­меняют тепловизоры.

Рис. 28 Структурная схема тепловизора

Структурная схема тепловизора (рис. 28) с оптико-механическим сканированием включает приемную оптическую систему 1, детектор ИК-лучей 2, сканирующую систему 3, обеспечивающую последовательный про­смотр объекта по заданному закону, усилитель 4, систему развертки и синхронизации 5 и кинескоп 6.

Принцип действия тепловизора заключа­ется в просмотре по заданному закону движе­ния поверхности объекта узким оптическим лучом с угловым размером δ, сформирован­ным системой объектив - приемник. Обзор происходит в пределах угла поля зрения (углы α и β) за время Т, которое принято называть временем кадра. Угол δ носит название мгно­венного угла поля зрения.

Тепловизор позволяет выделять на теп­ловом изображении объекта области одинако­вых температур с помощью изотерм, высвечи­вающихся на кинескопе. В нижней части кад­ра обычно формируется серая шкала, которая используется для измерения температуры. При этом яркость отдельных участков изображения объекта сравнивают с яркостью элементов шкалы, для которой при калибровке прибора определяют температурный перепад, соответ­ствующий переходу от белого до черного. Приемник ИК-излучения обычно охлаж­дают жидким азотом или термоэлектрическим микрохолодильником.