3. Понятие о температуре. Методы измерения температуры.

Температура – это степень нагретости тел

Измеряется °К, °С, °F

Термометры, пирометры

Термометры расширения Т---V

Манометрические термометры Т----V (жидкостные, газовые, парожидкостные)

Датчики : термосопротивления Т---R, термопара Т---E

Пирометры Т--- интенсивность излучения.

Температурой называется физическая величина, характеризую­щая степень нагретости тела. Это понятие связано со способностью тела с более высокой температурой передавать свою теплоту телу с более низкой температурой до тех пор, пока их температуры не сравняются. Одновременно с изменением температуры тел меняют­ся и их физические свойства.

Приборы для измерения температуры классифицируют в зави­симости от того, какой метод измерения положен в основу их кон­струкции: контактный (метод непосредственного соприкосновения измерительного прибора с измеряемой средой) и неконтактный (метод, основанный на расположении измерительного прибора на расстоянии от измеряемой среды).

К приборам, основанным на контактном методе измерений, от­носятся жидкостные стеклянные термометры, термометры расши­рения твердых тел, манометрические термометры, термоэлектриче­ские термометры (термопары), термопреобразователи (термомет­ры) сопротивления. Термометры расширения твердых тел применя­ют реже других приборов.

К приборам, основанным на неконтактном методе измерений, относятся пирометры излучения.

Термометры расширения (жидкостные, манометрические)

Жидкостные стеклянные термометры (рис. 5) состоят из двух основных частей: резервуара 1 с тер­мометрической жидкостью и соеди­ненной с ним капиллярной трубки 2 (капилляра). Сзади капилляра рас­положена пластинка 3 из молочного стекла, на которой нанесены деле­ния шкалы.

Термометрическая жидкость за­полняет резервуар и часть капилля­ра, представляющего собой тонкую стеклянную трубку.

При измерении температуры объем жидкости изме­няется, вследствие чего столбик жидкости в капилляре поднимается или опускается пропорционально изменению температуры. Положе­ние верхней части (мениска) стол­бика жидкости определяет измеря­емую температуру.

Для технических стеклянных тер­мометров (ГОСТ 9177— 74) в качестве термометрической жидкости используют толуол (для изме­рения темпера­тур от —90 до 30°С), ртуть (от —30 до 500°С), полиэтилсилоксан, керосин или другие органические жидкости (от —60до200°С).

В промышленных условиях стеклянные термометры с ртутным заполнением устанавливают в оправах для предохранения их от механических повреждений. Промышленность выпускает оправы нескольких видов: допускающие непосред­ственное соприкосновение резервуара термометра с измеряемой средой (их применяют при давлениях измеряемой среды, близких к атмосферному) и изо­лиру­ющие резервуар термометра от непосредственного соприкосновения с из­меряемой средой.

Достоинства стеклянных жидкостных термометров — простота употребления и достаточно высокая точность измерения.

Недостатки - малая механическая прочность (хрупкие); плохая видимость шкалы и трудность отсчета, невозможность автоматической записи показаний и передачи их на расстояние; невозможность ремонта; большая инерционность; плохая видимость ртути в капилляре.

В зависимости от назначения и области применения стеклянные жидкостные термометры подразде­ляют на лабораторные и технические.

М анометрические термометры (рис. 7, а) под­разделяют на жидкостные, парожидкостные и газовые. Чувствитель­ным элементом у них служит пру­жина, упругая деформация которой зависит от измерения объема (в жидкостных термометрах) или давления (в парожидкостных и газовых термометрах) рабочего вещества в замкнутой системе под действием температуры.

В жидкостном термометре термобаллон 7 цилиндрической фор­мы, металлическая капиллярная трубка 2 и трубчатая манометри­ческая пружина 3 образуют замкнутую систему. В измеряемую сре­ду помещают термобаллон, полностью заполненный термометриче­ской жидкостью. При повышении температуры измеряемой среды в термобаллоне образуется избыточный объем жидкости, который поступает в манометрическую пружину. Увеличение объема в замк­нутой системе приводит к росту давления, отчего манометрическая пружина стремится выпрямиться, ее свободный конец перемещается и через систему рычагов и зубчатых колес перемещает стрелку 4 по шкале 5. По положению стрелки судят о измеряемой температуре.

В парожидкостных термометрах термобаллон частично заполнен термометрической жидкостью с низкой температурой кипения (аце­тон, метил-хлорид). Остальная часть системы заполнена насыщен­ными парами этой жидкости. Давление насыщенного пара изменя­ется в зависимости от температуры и передается на трубчатую пружину по капилляру посредством сконденсировавшейся жидкос­ти. Давление насыщенных паров изменяется не пропорционально температуре, поэтому у парожидкостных термометров шкала нерав­номерная.

В газовых термометрах вся система заполнена инертным газом (азотом, гелием). Изменение температуры вызывает в таком термометре изменение давления инертного га­за при постоянном его объеме в замкну­той системе (термобаллон—капилляр— трубчатая пружина). Чем выше темпе­ратура, тем большим будет давление га­за в системе, вследствие чего трубчатая пружина, стремясь выпрямиться, будет поворачивать через систему рычагов стрелку по шкале.

Давление жидкости и инертных газов возрастает пропорционально увеличению температуры, поэтому шкалы жидкост­ных и газовых термометров равномерные.

Достоинством манометрических термометров являются: возможность дистанционного измерения температуры без использования допол­нительной энергии, сравнительная простота конструкции, возможность автоматической записи показаний, взрывобезопасность, нечувствитель­ность к внешним магнитным полям.

К недостаткам относятся: относительно невысокая точность изме­рения, трудность ремонта при разгерметизации измерительной системы, низкая механическая прочность капилляра, небольшое расстояние дистанционной передачи показаний, значительная инерционность.

Термоэлектрические преобразователи температуры.

Термоэлектрические термометры (термопара) являются первичными преобра­зователями, выходной сигнал которых измеряется магнитоэлектри­ческими милливольтметрами или автоматическими потенциомет­рами.

Возникновение термо-ЭДС в термопреобразователе объясняется тем, что при его нагревании возникает поток электронов от горячего спая к холодному. На холодном спае создается отрицательный потенциал, а на горячем - положительный. Разность этих потенциалов будет опреде­лять величину термо-ЭДС термопреобразователя.

Е сли температуру холодного спая поддерживать постоянной, то термо-ЭДС будет зависеть только от степени нагрева рабочего конца термопреобразователя, что позволяет отградуировать измерительный прибор в соответствующих единицах температуры. В случае откло­нения температуры свободных концов от градуировочного значения, равного 0°С, к показаниям вторичного прибора вводится соответствую­щая поправка.

Термоэлектрический термометр, простейшая цепь которого пока­зана на рис. 8, а, представляет собой чувствительный элемент, вы­полненный в виде двух проводников из разных металлов (или по­лупроводников) со спаянными концами.

Термо-ЭДС зависит от материала проводников А и Б, составля­ющих термоэлектрический термометр, а также от температуры го­рячего спая, называемого свободным концом 1. Свободный конец термоэлектрического термометра должен находиться в зоне посто­янной температуры, имеющей определенное (известное) значение. При этом условии термо-ЭДС термоэлектрического термометра, а значит, и показания измерительного прибора будут зависеть только от температуры рабочего конца 2. Фактически свободный конец термоэлектрического термометра, как правило, находится в зоне переменной температуры, поэтому в качестве соединительных при­меняют так называемые компенсационные провода, позволяющие перенести свободный конец в зону с известной постоянной темпера­турой.

Рис. 8б 3-термоэлемент, 4-жароупорный наконечник, 5-металлический чехол, 6-фарфоровые изоляторы, 7-головка термометра с зажимами.

Верхний предел температур, измеряемых термопар, зависит от их типа. Так термометр ТВР применяют для измерения температур до 2200°С, ТПП-до1300°С, ТПР-до1600°С,

ТХА-до1000°С и ТХА-до600°С

В зависимости от материала термоэлектродов термопреобразователи различают:

• с металлическими термопарами из благородных и неблагородных металлов и сплавов;

• с термопарами из тугоплавких металлов и сплавов.

Термопары из благородных металлов, обладая устойчивостью к вы­соким температурам и агрессивным средам, а также постоянной термо-­ЭДС, широко используют для замера высоких температур в промыш­ленных и лабораторных условиях.

Преобразователи термоэлектрические изготовляют следующих ти­пов :

ТВР — термопреобразователь вольфрамрениевый;

ТПР — термопреобразователь платинородиевый;

ТПП — термопреобразователь платинородий-платиновый;

ТХА — термопреобразователь хромель-алюмелевый;

ТХК — термопреобразователь хромель-копелевый

ТМК — термопреобразователь медь-копелевый

Для предохранения от повреждений термоэлектрические термо­метры заключают в защитную арматуру (рис. 8, б). Термоэлектрические термометры имеют стабильную характери­стику: термо-ЭДС, развиваемая ими, стандартизована, что делает термоэлектрические термометры взаимозаменяемыми.

Вторичными измерительными приборами для термоэлектрических термометров служат милливольтметры и потенциометры.