1 ТЕРМОМЕТРЫ

1.1 Основные сведения

Температура - один из важнейших параметров технологичес­ких процессов. При проектировании исходят из оптимальных значений двух параметров: температуры и КПД. С одной стороны, чем выше температура, выше снимаемая мощность и выше КПД. С другой - при повышенных температурах уменьшается ресурс работы оборудования. Значит, оборудование необходимо чаще менять, что приводит к экономическим издержкам. Поэтому вы­бирают оптимальные температуры, при которых выдается мак­симальную мощность, а оборудование работает с достаточной степенью надежности.

При эксплуатации температурный режим работы должен быть оптимальным. Отклонение от него уменьшает либо КПД, либо ресурс работы оборудования. Поэтому контроль тем­ператур является необходимым условием надежной и экономич­ной работы. При этом температурный режим должен поддерживаться с максимальной точностью.

Температура - термодинамическая величина, характеризую­щая состояние термодинамического равновесия макроскопичес­кой системы. Температура всего изолированного тока одинако­ва. Более высокой температурой обладают тела, у которых кине­тическая энергия атомов и молекул выше. Для представления уровня температур, при которых твердые вещества переходят в жидкие, приведены значения температур плавления металлов (таблица 1.1)

Если нагретое тело находится в контакте с телом, имеющем тем­пературу ниже, чем температура нагретого тела, то температура нагретого тела и тела, которое находится в контакте с ним, меняется от точке к точки. Это состояние характеризуется темпе­ратурным полем, которое характеризуется количеством теплоты, выделяемой или передаваемой в данном участке тела.

Теплота - количество энергии, которое получает или отдает тело в процессе теплообмена. Тепловая энергия передается бла­годаря соударениям молекул (микрофизическая форма передачи энергии). Макрофизическая форма передачи энергии (работа) -перемещение поршня в тепловой машине и другие перемеще-

ния. Единицей количества тепловой энергии (теплоты) является Джоуль, кото-рый равен работе силы 1Н при перемещении тела на 1 м.

Единицей мощности является Ватт, который равен мощ­ности, при которой совершается работа I Дж за время 1 сек. Вт = Дж / сек.

Теплота, полученная телом, расходуется на повышение его температуры:

(1.1)

где Q - энергия, полученная телом;

G- масса тела;

t₁,t₂ - конечная и начальная температуры тела,

с - удельная теплоемкость веще­ства.

Теплоемкость - теплота, которая расходуется на повышение температуры тела.

Удельная теплоемкость - количество теплоты, необходимое для нагревания 1 кг массы вещества на 1°С или 1°К. Ее выража­ют в Джоулях на килограмм-Кельвин. В таблице 1.2 приведены значения удельной теплоемкости некоторых веществ.

Перенос теплоты путем непосредственного соприкосновения час­тиц тела, показывается теплопроводностью. Перенос теплоты про­исходит от более нагретых участков тела к менее нагретым в резуль­тате теплового движения и взаимодействия микрочастиц. Количество теплоты Q, которое проходит через стенку толщиной d равно;

(1.2)

где τ – время, в течение которого проходит данное количество тепла,

t₁,t₂- температуры стенок,

F - площадь поверхности стен­ки,

τ - коэффициент теплопроводности, который характеризует способность

вещества проводить теплоту и измеряется в Вт/м-К,

Связь между размерностями характеризуется выражением:

1 ккал/м-ч-К= 1,16 Вт/м-К.

Величина, характеризующая степень изменения температур­ного поля в точке пространства, называется градиентом темпе­ратурного поля. Зависимость

плотности теплового потока g с градиентом температурного поля (grad t) характеризуется законом Фурье:

(1.3)

для равномерного теплового потока через пластину или стен­ку закон Фурье записывается в виде:

(1.4)

где t₁ и t₂ - температуры поверхностей слоя,

х₁и х₂ - координаты поверхностей слоя.

Теплообмен между поверхностью тела и окружающей средой, называется теплоотдачей. Коэффициент теплоотдачи (теплообме­на) равен плотности теплового потока на поверхности раздела сред с разностью температур стенки tст и жидкости или газа t_ж:

g = а(t_сг-t_ж), (1.5)

где а - коэффициент теплоотдачи.

Температура - величина, характеризующая степень нагрева тела. Представление о температуре основано на теплообмене между двумя телами, находящимися в тепловом контакте.

Температура является параметром, характеризующим процесс теплообмена, теплопереноса. Измерить температуру тела непос­редственно нельзя. Ее значение можно определить по каким-то физическим параметрам тела, которые изменяются в зависимос­ти от температуры: электрическое сопротивление, термоэлектрод­вижущая сила, длина, объем и др.

Чтобы получить возможность количественного определения температуры, необходимо установить шкалу, т.е. выбрать на­чало отсчета и единицу измерения температурного интервала. Для разметки температурной шкалы чаще всего использовали объемное расширение тел при нагревании, а за постоянные точки принимали температуры кипения воды и таяния льда. На этом прин­ципе основаны температурные шкалы Фаренгейта, Реомюра, Цель­сия.

Приборы для измерения температуры в зависимости от исполь­зуемых ими физических свойств веществ разделяются на следую­щие группы:

- термометры расширения, основанные на свойстве тел изменять под действием температуры свой объем;

- манометрические термометры, основанные на принципе измене­ния давления жидкости, пара, газа под действием температуры;

- термометры сопротивления, основанные на свойстве проводников изменять их электрическое сопротивление под дей­ствием температуры;

- термоэлектрические термометры, основанные на свойстве разнородных металлов образовывать в паре (спае) термоэлект­родвижущую силу, зависящую от температуры спая;

- пирометры, основанные на принципе измерения излучае­мой нагретыми телами энергии, зависящей от температуры этих телидр.

2. Классификация термометров

Термометры расширения

Для построения термометров расширения в качестве чувстви­тельных элементов используются жидкости и твердые тела. Первые называют жидкостными стеклянными термометрами: спиртовые, ртутные, вторые – дилатометрическими: пластинчатые, стержневые.

Стеклянные жидкостные термометры.

В жидкостных термометрах в качестве рабочих веществ ис­пользуются ртуть и органические жидкости: этиловый спирт, толуол и др.

Дилатометрические термометры

Принцип действия дилатометрических термометров основан на относительном удлинении двух твердых тел, имеющих различ­ные температурные коэффициенты линейного расширения, под действием температуры.

Классификация термометров представлена на рисунке 1.1

Выпускают два вида термометров: стержневые и пластинча­тые (биметаллические).

Стержневой термометр (рисунок 1.2,а) имеет закрытую с одного конца трубку 1, помещенную в измеряемую среду, в которую вставлен стержень 2, связанный с рычагом 3. Трубка выполнена из материала с большим коэффициентом линейного расширения, чем стержень. При измерении температуры трубка изменяет свою длину относительно длины стержня, что приводит к смещению стрелки прибора.

Пластинчатый термометр (рисунок 1.2, б) состоит из двух изогну­тых и спаянных между собой по краям металлических полосок 1 и 2 с различными коэффициентами расширения, один конец ко­торых закреплен, а другой связан с рычагом 3.

Рисунок 1.2-Схемы дилатометрических термометров

Рисунок 1.3-Дилатометрическое температурное реле

При измерении температуры пластинки изменяют угол изги­ба и переме-

щают стрелку прибора.

На рисунке 1.3 приведено дилатометрическое реле температуры. Чувствительным элементом является трубка 1, которая поме­щается в контролируемую среду. Внутри трубки находится стержень 2, имеющий температурный коэффициент линейного расширения меньшей, чем у трубки. Он закреплен в штуцере

5 В головке реле 4 находится электроконтактное устройство с рычагом 5.

Манометрические термометры.

Принцип действия манометрических термометров основан на зависимости давления жидкости, газа или пара в замкнутом объе­ме от температуры.

В зависимости от вида рабочего вещества манометрические термометры разделяются на газовые, жидкостные и конденсаци­онные.

Газовые манометрические термометры предназначены для из­мерения температуры в диапазоне от -200 до +600°С. В качестве рабочего вещества применяют азот.

Термоэлектрические термометры.

Принципиальные основы термоэлектрических термометров.

Принцип действия термоэлектрических термометров основан на свойстве металлов и сплавов создавать термоэлектрическую силу (термо-ЭДС) от действия температуры в месте соединения (спая) концов двух разнородных проводников (термоэлектродов), образующих преобразователь – термопару.

Термометры сопротивления.

Принцип действия термометров сопротивления основан на способности различных материалов (в первую очередь металлов) изменять электрическое сопротивление с изменением температу­ры. Параметр, характеризующий изменение электрического со­противления с изменением температуры, называют температур­ным коэффициентом электрического сопротивления.

Для измерения температуры при помощи термометров сопротивления применяется комплект приборов, состоящий из сопротивления (датчика), помещаемого в исследуемую среду, соединительных проводов, источника питания и измерительного (вторичного) прибора. В качестве датчиков применяют металлические и полупроводниковые термосопротивления. В промышленности вторич-

ными приборами служат логометры и электронные мосты. Выпускаются два типа, металлических термометров сопротивления — медные и платиновые. Рабочая длина их — от 150 до 1900 мм. Арматура термометров рассчитана па давление до 25 Мн\м.

Нетрадиционные средства измерения температуры.

Кварцевые термометры.

Кварцевые термометры являются автогенераторными преобра­зователями с кварцевыми резонаторами с частотным выходом [20]. В большинстве случаев кварцевые термометры строятся на частоте 5-50 МГц, в некоторых случаях на

частоте 0,5-1 Мгц.

Ультразвуковые термометры.

Принцип действия ультразвуковых термометров основан на зависимости

скорости распространения ультразвука в газе, жид­костях и твердых телах от температуры. Чувствительный элемент выполнен в виде твердого тела, газообразного или жидкого ве­щества, заключенного в оболочку, с излучателем и приемником ультразвука. Особенностью ультразвуковых термометров явля­ется то, что в качестве термочувствительного элемента может быть использован непосредственно элемент конструкции иссле­дуемого объекта или исследуемой среды.

Термометры на основе диодов и транзисторов

Принцип работы термометров на основе диодов и транзисто­ров основан на зависимости сопротивления р-n перехода от температуры.

Исторически первым температурозависимым параметром был обратный ток диодов и транзисторов. Значение тока растет с тем­пературой по экспоненциальному закону со скоростью порядка 10% К-1. Однако диапазон температур, в пределах которых воз­можно использование обратных токов, весьма ограничен. Верхний температурный предел применения определяется температурой их теплового пробоя.

Измерение температуры по тепловому излучению.

Измерение температуры тел по тепловому излучению называ­ют методами пирометрии, а приборы - пирометрами. Пиромет­ры являются бесконтактными

приборами. Они не искажают тем­пературное поле контролируемого объекта.

Для измерения яркостной температуры в видной области спек­тра применяются оптические пирометры или визуальные пиро­метры с "исчезающей" нитью.