образователи в зависимости от рода измеряемой величины имеют соответствующие названия: термометры, термопреобразователи, манометры, преобразователи давления, расходомеры, преобразователи расхода и т.п.

Вопросы для самопроверки

1.Что называется средством измерения?

2.Что входит в средства измерений?

3.Охарактеризуйте основные виды средств измерений.

4.Дайте характеристику государственной системе промышленных приборов и средств автоматизации.

5.Дайте определение класса точности и допускаемых погрешностей.

Раздел 2. Методы и средства измерения температуры

Более подробная информация по данному разделу содержится в [1],

с.33…91; [2], с.18…80.

В разделе рассматриваются 6 тем:

1.Международная температурная шкала МТШ-90.

2.Термометры расширения.

3.Термопреобразователи расширения.

4.Термоэлектрические преобразователи.

5.Методика измерения температуры контактными средствами.

6.Измерение температуры тел по их тепловому излучению.

при работе с теоретическим материалом следует ответить на вопросы, приведенные в конце данного раздела.

После проработки теоретического материала раздела 2 студентам очной и очно-заочной формы обучения следует выполнить лабораторные работы (№№ 3, 4 и 5 для очной формы обучения и №№ 3 и 4 для очно-заочной формы обучения), студентам очно-заочной и заочной формы обучения – контрольную работу №1, а затем (для всех форм обучения) – тренировочный тест №2.

Изучение раздела заканчивается контрольным мероприятием: необходимо ответить на вопросы контрольного теста №2.

2.1. Международная температурная шкала МТШ-90

Непосредственное измерение температуры невозможно. В принципе все явления, происходящие под воздействием тепла (например, расширение веществ, изменение электрического сопротивления, излучение нагретых тел), можно использовать для измерения температуры. Однако, количественная оценка возможна лишь при соотнесении показаний термометра с некоторой эталонной температурой, например, с температурой тройной точки воды.

Для унификации результатов измерений различными средствами, основанными на различных методах, применяется международная температурная шка-

25

ла. По мере развития техники температурных измерений использовались различные температурные шкалы: МТШ-27, МПТШ-68, МТШ-90 (цифры указывают год международного принятия шкалы).

В метрологическом аспекте температура является величиной, не подчиняющейся закону аддивности (аддивность – свойство величины, состоящее в том, что значение величины, соответствующее целому объекту, равно сумме значений величин, соответствующих его частям, каким бы образом не был разбит объект). Поэтому для измерения температуры необходимо иметь не только единицу измерения, но и шкалу, в которой температура определена через ка- кую-либо подчиняющуюся закону аддивности величину, связанную с температурой функциональной зависимостью (например, ЭДС, сопротивление, и т.п.)

Идеальная температурная шкала – это термодинамическая температурная шкала, основанная на втором законе термодинамики. Единицей термодинамической температуры Т является градус Кельвина К – 1/273,16 часть температуры тройной точки воды. Широко применяется практика выражения температуры в виде ее значения относительно точки плавления льда (273,15К). Выраженная таким образом температура известна как температура Цельсия (символ t) и определяется как t = Т - 273,15. Единицей температуры Цельсия является градус Цельсия (символ ºС), размер которого равен Кельвину (это означает, что температурный интервал 1 ºС =1 К). В Международной температурной шкале 1990 г. (МТШ-90) используются как температура Кельвина (символ Т90), так и температура Цельсия (символ t90).

Для изменения аддивных величин (например, длины, массы) можно опираться на воспроизведение размеров их единиц. Так как температура не подчиняется закону аддивности, то воспроизведение одной эталонной точки (тройной точки воды) не позволит точно определить другие температурные точки. Поэтому необходимо точное воспроизведение нескольких температурных точек (они называются реперными), которым присвоено определенное значение температур, совокупность их образует температурную шкалу. Между реперными точками шкала воспроизводится с помощью эталонных средств, в которых температура определяется через какую-либо аддивную величину, связанную с температурной функциональной зависимостью заданного вида. Коэффициенты этой зависимости находятся по температурам реперных точек.

Международная температурная шкала МПТШ-90 охватывает диапазон от 0,65 К до наивысшей температуры, доступной измерению в соответствии с законом излучения Планка для монохроматического излучения. Она разбита на ряд диапазонов, содержащих реперные точки, внутри которых используются определенные типы термометров.

В настоящее время используются различные методы измерения температуры, которые можно разделить на две группы: контактные и бесконтактные.

26

Средства измерения температуры

Вконтактных методах требуется непосредственный контакт первичного преобразователя с контролируемым объектом или средой. К ним относятся термометры расширения (стеклянные, манометрические и биметаллические), термометры сопротивления, термоэлектрические термометры.

Бесконтактные методы позволяют измерять температуру на расстоянии от контролируемого объекта или среды. Этот метод используется в пирометрах.

Втабл. 3.1 приведены наиболее распространенные средства измерения температуры и примерные пределы их применения.

2.2. Термометры расширения

Принцип действия стеклянных жидкостных термометров основан на тепловом расширении жидкостей. При изменении температуры изменяется объем термометрической жидкости, при этом изменяется положение уровня жидкости в капилляре, по которому отсчитывается значение температуры. Жидкостные термометры изготавливаются из различных марок стекла в виде резервуаров и наполняются различными термометрическими жидкостями или ртутью. Большим преиму-

27

Рис. 3.1. Лабораторные ртутные термометры:

а — с вложенной шкалой: 1 — стеклянный резервуар; 2 — капилляр; 3 — шкальная пластина; 4 — стеклянная оболочка; б — палочный: 7 — резервуар; 2 — тол-

стостенный капилляр; 3 — шкала на наружной поверхности капилляра

ществом последней является то, что она не смачивает стекло и легко может быть получена химически чистой. Цена деления стеклянных термометров находится в пределах (0,01... 10) °С и определяется назначением термометра и видом применяемой термометрической жидкости. Основная масса выпускаемых термометров по своей конструкции делится на две группы:

2) термометры палочного типа, у которых шкала нанесена непосредственно на внешнюю поверхность толстостенного капилляра (рис. 3.1, б).

По назначению жидкостные термометры подразделяются на лабораторные, технические (производственные) и рабочие эталоны (образцовые). Технические термометры (рис. 3.2) могут быть прямые или угловые (под углом 90 или 120º). Они могут иметь специальное назначение (медицинские, метеорологические и т.д.). Особые технические характеристики (вибростойкие, электроконтактные).

Рис. 3.2. Технические стеклянные термометры:

а — прямой; б — угловой

28

Термометры манометрические и биметаллические

Принцип действия манометрических термометров основан на изменении давления газа, жидкости или насыщенного пара в замкнутом объеме в зависимости от температуры. Конструктивно термометр состоит из термобаллона 1, погружаемого в контролируемую среду, манометра 3 для измерения давления и соединяющего их капилляра 2 (рис. 3.3). Такие термометры используются для измерения температур от – 200 до 600 °С и выпускаются следующих разновидностей.

Газовые манометрические термометры применяются для измерения температур в интервале от -200 до 600 °С. В качестве наполнителя используется гелий (при низких температурах), азот (при средних температурах) или аргон (при высоких температурах).

Рис. 3.3. Схема манометрического термометра:

1 – термобаллон; 2 – капилляр; 3 – манометр

Класс точности газовых термометров 1 или 1,5. Они могут выпускаться показывающими или самопишущими, могут снабжаться дополнительными устройствами.

Конденсационные манометрические термометры используются для изме-

рения температур в интервале от –25 до 300 °С. Термобаллон термометра примерно на 3/4 заполнен жидкостью с низкой температурой кипения, а остальная часть заполнена насыщенным паром этой жидкости. Капилляр и манометрическая пружина также заполнены жидкостью. Количество жидкости в термобаллоне должно быть таким, чтобы при максимальной температуре не вся жидкость переходила в пар. В качестве термометрических жидкостей используется фреон-22 (при низких температурах), метил хлористый, этил хлористый, ацетон, толуол, спирт (в порядке возрастания пределов измерения). Давление в термосистеме конденсационного манометрического термометра будет равно давлению насыщенного пара рабочей жидкости, определяемого, в свою очередь, температурой, при которой находится рабочая жидкость, т.е. температурой измеряемой среды с помещенным в нее термобаллоном. Эта зависимость давления насыщения пара от температуры имеет нелинейный вид, она однозначна, когда измеряемая температура не превышает критическую.

Жидкостные манометрические термометры находят небольшое распро-

странение. Они используются для измерения температур в интервале от – 50 до 300 °С. В качестве термометрических жидкостей используется жидкость ПМС-5 при низких температурах, при высоких — жидкость ПМС-10. Рабочее вещество жидкостных манометрических термометров практически несжимаемо. Поэтому изменение объема рабочей жидкости в термобаллоне при изменении температуры соответственно диапазону измерения вызовет такое увеличение давления в термосистеме, при котором манометрическая пружина изменит свой внутренний

29