Ртутний термометр

Більшість речовин у природі в холодному стані займає менший об’єм, у нагрітому – більший. Саме цю властивість речовини використовують під час виготовлення термометра. Розглянемо будову ртутного термометра. Невелика кількість ртуті міститься у запаяній скляній трубці, одна частина якої має форму вузького каналу, а друга – резервуара. Якщо підвищити температуру ртуті, її об’єм збільшиться, збільшиться і довжина стовпчика ртуті в каналі. Зі зниженням температури довжина стовпчика ртуті зменшиться.

Рідинні скляні термометри

Найпростіший термометр – рідинний. Принцип його дії заснований на розширенні рідини при підвищенні температури. Рідинний термометр улаштований у такий спосіб – тонка запаяна трубка з маленьким резервуарчиком унизу заповнюється спиртом чи ртуттю і прикріплюється до шкали. У залежності від температури, рідина розширюється чи стискується і, відповідно, піднімається чи опускається в трубці. На підставі цих змін ми можемо судити про температуру середовища, у якій знаходиться термометр.

Основні переваги скляних рідинних термометрів – простота використання і досить висока точність виміру навіть для термометрів серійного виготовлення. До недоліків скляних термометрів можна віднести: погану видимість шкали (якщо не застосовувати спеціальної збільшувальної оптики) і неможливість автоматичного запису показань, передачі показань на відстань і ремонту.

Сутність термоелектричного методу полягає у виникненні ЕРС у провіднику, кінці якого мають різну температуру. Для того, щоб виміряти виниклу ЕРС, її порівнюють з ЕРС іншого провідника, що утворить з першим термоелектричну пару AB (мал. 2), у колі якої тече струм.

Результуюча термо- ЕРС кола, що складається з двох різних провідників A і B (однакових за довжиною), дорівнює

(3)

чи

(4)

де і - різниці потенціалів провідників A і B відповідно при температурах t₂ і t₁.

Термо-ЕРС даної пари залежить тільки від температури t₁ і t₂ і не залежить від розмірів термоелектродів (довжини, діаметра), величин теплопровідності і питомого електроопору.

Для збільшення чутливості термоелектричного методу вимірювання температури в ряді випадків застосовують термобатарею: послідовно включених термопар, робочі кінці яких знаходяться при температурі t₂, вільні при відомій і постійній температурі t₁.

Термоелектричний термометр (ТТ) – це вимірювальний перетворювач, чутливий елемент якого (термопара) розташований у спеціальній захисній арматурі, що забезпечує захист термоелектродів від механічних ушкоджень і впливу вимірюваного середовища.

Термоелектричні термометри випускаються двох типів: що занурюються і поверхневі. Промисловість виготовляє пристрої різних модифікацій, що відрізняються по призначенню й умовах експлуатації, по герметичності і захищеності від дії вимірюваного середовища, по стійкості до механічних впливів, по ступені теплової інерційності і т.п.

Електричні термометри опору

У металургійній практиці для вимірювання температур до 650⁰С застосовуються термометри опору (ТО), принцип дії яких заснований на використанні залежності електричного опору речовини від температури. Знаючи дану залежність, по зміні величини опору термометра судять про температуру середовища, у яке він занурений. Вихідним параметром пристрою є електрична величина, що може бути виміряна з дуже високою точністю (до 0,02⁰С), передана на великі відстані і безпосередньо використана в системах автоматичного контролю і регулювання.

Як матеріали для виготовлення чутливих елементів ТО використовуються чисті метали: платина, мідь, нікель, залізо і напівпровідники.

Опір напівпровідників зі збільшенням температури різко зменшується, тобто вони мають негативний температурний коефіцієнт опору практично на порядок більше, ніж у металів.

Напівпровідникові термометри опору в основному застосовуються для вимірювання низьких температур (1,5 ¸ 400 К).

Перевагами таких термометрів є невеликі габарити, мала інерційність, високий коефіцієнт . Однак вони мають і істотні недоліки:

1) нелінійний характер залежності опору від температури;

2. відсутність градуйованої характеристики, що виключає взаємозамінність окремих ТО даного типу. Це приводить до випуску термометрів з індивідуальним градуюванням.

Типи термометрів опору (ТО)

Для рішення різних задач ТО поділяються на еталонні, зразкові і робочі, що у свою чергу підрозділяються на лабораторні і технічні.

Еталонні ТО призначені для відтворення і передачі шкали МПТШ в інтервалі 13,81 ¸ 903,89К.

Технічні ТО у залежності від призначення і конструкції поділяються на:

- що занурюються, поверхневі і кімнатні;

- захищені і не захищені від дії агресивного середовища;

- стаціонарні і переносні;

- термометри 1-го, 2-го і 3-го класів точності і т.д.

Значно рідше в металургійній практиці зустрічаються напівпровідникові термометри опору для вимірювання температури (-90)¸(+180) ⁰С. Їх застосовують у термореле, низькотемпературних регуляторах, що забезпечують високоточну стабілізацію чутливих елементів газоаналізаторів, корпусів пірометрів, електродів термоелектричних установок для експрес-аналізу сполук металу і т.п.

Безконтактний метод вимірювання температури

Температуру розжарення вольфрамової нитки лампи вимірюють за допомогою спеціальних приладів – пірометрів. В основу будови пірометрів покладено закони випромінювання абсолютно чорного тіла. Одним із таких приладів є яскравісний пірометр або пірометр із зникаючою ниткою. В ньому використано властивість людського ока з високою точністю порівнювати яскравість двох тіл, які розміщені поруч.

Пірометр складається з зорової труби, всередині якої змонтовано еталонну фотометричну лампу. Лампа живиться від акумулятора батареї, або спеціального блока живлення.

1-окуляр;

2-світлофільтр;

3-нитка розжарення еталонної лампи;

4-поглинаючий світлофільтр;

5-об’єктив;

R- реостат;

Г- гальванометр, або амперметр.

Рухаючи об’єктив 5 створюють в площині нитки 3 зображення поверхні тіла, температуру якого визначають. Світлофільтр 2 пропускає червоні промені, в яких ведеться спостереження. Спостерігаючи через окуляр, підбирають за допомогою реостата R таке розжарення нитки, щоб її яскравість співпала з яскравістю зображення поверхні тіла ( при цьому нитка “ зникає”, тобто стає невидимою на фоні зображення поверхні тіла). Гальванометр градуюють в одиницях температури. Визначена в такий спосіб температура дістала назву яскравісної температури Т . Яскравісна температура рівна дійсній температурі тіла Т, якщо тіло абсолютно чорне. Для сірих тіл Т менша від дійсної температури Т і пов’язана з нею формулою: Т = Т , де - безрозмірна величина.

Пірометр має два діапазони вимірів: 800-1400 С і 1400-2000 С.

Вимірювання термо-ЕРС компенсаційним шляхом

Вимірювання термо-ЕРС термопари прямим шляхом, по силі струму в колі постійного струму, за допомогою мілівольтметра, можна здійснити порівняно просто. Однак цей метод має ряд недоліків, які створюють додаткові погрішності, що в більшості випадків не дозволяє одержати високу точність вимірювання.

У вимірювальній техніці крім прямих методів вимірювання відомі компенсаційні методи чи методи протиставлення (порівняння) невідомої величини величині відомій. Компенсаційні методи дозволяють провести виміри більш точно, хоча і не завжди так просто, як прямий вимір.

Основна перевага компенсаційного вимірювання термо-ЕРС, у порівнянні з прямим, за допомогою мілівольтметра, полягає в тому, що в момент вимірювання струм у колі термопари дорівнює 0. Це означає, що величина опору зовнішнього кола не має значення: ніякого регулювання опору зовнішнього кола робити не треба і турбуватися про вплив температури навколишнього середовища на зовнішнє коло немає необхідності