7.2. Измерение температуры контактным методом

Рис. 5.58. Область применения контактных и бесконтактных термометров:

1 — термисторы; 2 — пьезоэлектрические; 3 — термопреобразователи сопротивления; 4 — термоэлектрические преобразователи (термопары)

При использовании контактного метода измерения температуры определяют величину одного из параметров первичного измерительного преобразователя (ПИП), зависящего от его температуры. При этом предполагают, что температура ПИП равна температуре измеряемого объекта, которую хотели бы измерить. Для выполнения этого условия необходимо обеспечить хороший тепловой контакт между ПИП и измеряемым объектом, что и дало название методу измерения.

К контактному методу относится измерение температуры термометрами расширения, манометрическими термометрами, термометрами сопротивления, термоэлектрическими термометрами.

Температурные диапазоны применения наиболее распространенных контактных термометров представлены на рис. 5.58.

7.2.1. Термометры расширения

Принцип действия термометров расширения основан на различном тепловом расширении двух разных веществ. К термометрам расширения относят стеклянные жидкостные, дилатометрические, биметаллические, манометрические.

Термометры стеклянные жидкостные

Принцип действия стеклянных жидкостных термометров основан на различии теплового расширения термометрической жидкости (ртути, амальгамы таллия, спирта, других органических жидкостей) и материала оболочки, в которой они находятся (термометрического стекла или кварца). В небольшом интервале температур расширение можно рассчитать по формулам:

или

В выражениях и — объемы термометрической жидкости (м³) при температуре 0 и при температуре ; — температурный коэффициент объемного расширения,

Замечание

Коэффициент 3 не является постоянной величиной, а зависит от температуры.

Рис. 59. Стеклянные жидкостные термометры: а — обыкновенный с вложенной шкалой; б — электроконтактный с подвижным контактом для установки задания

Для изготовления термометров расширения используют стекла специальных сортов (термометрические) с малым значением температурного коэффициента расширения. Термометры расширения используются для измерения температуры в пределах от —200 до 1200 с высокой точностью (цена деления образцовых стеклянных термометров составляет 0,01 °С). Наибольшее распространение получили ртутные стеклянные термометры. Основными элементами конструкции являются резервуар с припаянным к нему капилляром, частично заполненные термометрической жидкостью (ртутью), и шкала. Конструктивно различают палочные термометры и термометры со шкалой, вложенной внутрь стеклянной оболочки (рис. 59, а). У палочных термометров шкала наносится непосредственно на поверхности толстостенного капилляра. У термометров с вложенной шкалой капилляр и шкальная пластина с нанесенной шкалой заключены в защитную оболочку, припаянную к резервуару. Разновидностью ртутных стеклянных термометров являются ртутные электроконтактные термометры (рис. 59, б), предназначенные для сигнализации или релейного регулирования температуры.

Термометры дилатометрические и биметаллические

Принцип действия дилатометрических и биметаллических термометров основан на различии линейного расширения твердых тел, из которых изготовлены чувствительные элементы этих термометров. Если температурный интервал невелик, то зависимость длины твердого тела от температуры выражается линейным уравнением вида

где — длина твердого тела при температуре , м; — длина того же тела при температуре ; — температурный коэффициент линейного расширения твердого тела,

Схема дилатометрического термометра представлена на рис. 60. Термометр состоит из трубки /, изготовленной из металла с большим коэффициентом линейного расширения (меди, латуни, алюминия), и стержня 2 из материала с малым коэффициентом линейного расширения (инвара, фарфора). Один конец трубки крепится неподвижно к корпусу прибора, а к другому жестко прикреплен стержень. Сама трубка помещается в среду, температуру которой измеряют. Изменение температуры среды приводит к изменению длины трубки, а длина стержня остается практически постоянной. Это приводит к перемещению стержня, который с помощью рычага 3 перемещает стрелку по шкале прибора.

Принцип действия биметаллических термометров основан на различии температурных коэффициентов линейного расширения металлических пластин (например, из инвара и латуни, из инвара и стали), сваренных (спаянных, склепанных) между собой по всей плоскости соприкосновения. Нагревание приводит к деформации такой термобиметаллической пластины; последняя изгибается в сторону металла с меньшим коэффициентом линейного расширения (инвара) (рис. 61). Биметаллические термометры используются в качестве чувствительного элемента в температурных реле, а также для компенсации влияния температуры окружающей среды в измерительных приборах. Дилатометрические и биметаллические термометры для непосредственных измерений температуры применяются сравнительно редко.

Рис. 60. Схема дилатометрического термометра.

Рис. 61. Схема биметаллического термометра