Тема 1.3 Измерение температуры
1 Классификация средств измерения температуры
2 Термометры расширения, манометрические термометры
3 Термоэлектрические преобразователи
4 Термопреобразователи сопротивления
5 Приборы, работающие с термометрами сопротивления и термоэлектрическими преобразователями
Классификация средств измерения температуры
Температура – физическая величина, количественно характеризующая меру средней кинетической энергии теплового движения молекул какого-либо тела или вещества.
В системе СИ основной единицей является Кельвин, который является единицей измерения в так называемой абсолютной термодинамической шкале.
В зависимости от принципа действия приборы для измерения температуры делятся на следующие группы (рис.1):
1) термометры расширения, основанные на изменении объема жидкости или линейных размеров твердых тел при изменении температуры.
2) манометрические термометры, основанные на изменении давления вещества при постоянном объеме при изменении температуры.
3) термоэлектрические термометры, основанные на изменении термоэлектродвижущей силы термопары от температуры.
4) термометры сопротивления, основанные на изменении электрического сопротивления проводников и полупроводников при изменении их температуры.
5) пирометры, излучения из которых наибольшее распространение получили:
а) оптические, основанные на измерении интенсивности монохроматического излучения нагретого тела;
б) цветовые (пирометры спектрального отношения), основаны на измерении распределения энергии в спектре теплового излучения тела;
в) радиационные основанные на измерении мощности излучения нагретого тела.
Рисунок 1 – Классификация средств измерения температуры
Промышленные датчики, основанные на перечисленных методах, позволяют охватить диапазон температур от – 200 °С до 6000 °С (рис. 2).
Рисунок 2 – Методы и диапазоны измерения температуры
Термометры расширения, манометрические термометры
Измерение температуры жидкостными стеклянными термометрами основано на различии коэффициентов объемного расширения жидкости и материала оболочки термометра.
Наиболее распространены ртутные стеклянные термометры.
Несмотря на большое разнообразие конструкций, все жидкостные стеклянные термометры относятся к одному из двух основных типов: палочные (рис. 2,а) и со вложенной шкалой (рис. 2,б).
Палочные термометры имеют толстостенный капилляр наружным диаметром 6—8 мм, нижний конец которого образует резервуар для жидкости. Шкала у них наносится непосредственно на внешней поверхности капилляра. У термометров со вложенной шкалой капилляр тонкостенный, с расширенным резервуаром для ртути. Шкала наносится на пластинку из молочного стекла, которая вместе с капилляром заключается в стеклянную оболочку, прикрепленную к резервуару термометра. Технические термометры изготовляются только со вложенной шкалой. В отличие от лабораторных их резервуар большего объема и капилляр большего диаметра, поэтому градусные деления у них крупные, а столбик ртути более заметен. Разновидностью ртутных термометров являются контактные термометры, используемые в основном для сигнализации о нарушении заданного температурного режима. На рисунке 2,в показан одноконтактный термометр с контактами из платиновой проволоки, впаянными в нижней части капилляра и на уровне отметки, соответствующей значению температуры, о котором нужно сигнализировать или которое необходимо поддерживать постоянным. К этим контактам припаяны проводники из медной проволоки. В момент, когда оба контакта соединяются столбиком ртути, электрическая цепь замыкается. Контактные термометры бывают с двумя и более контактами и с переменным положением верхнего контакта. На рисунке 2,г показан такой термометр, у которого рабочим контактом служит тонкая вольфрамовая проволока, находящиеся внутри капилляра.
а) б) в) г)
Рисунок 2 – Жидкостные термометры
а) – палочный термометр; б) – термометр со вложенной шкалой; в) – одноконтактный ртутный термометр; в) – контактный термометр (термосигнализатор) с магнитной перестановкой контакта
Схема манометрического термометра показана на рисунке 3.
Рисунок 3 –Манометрический термометр с трубчатой пружиной
1 – термобаллон; 2 – капиллярная трубка; 3 – трубчатая пружина; 4 – держатель; 5 – поводок; 6 – зубчатый сектор
Прибор состоит из термобаллона 1, капиллярной трубки 2 и манометрической части 3—6. Вся система прибора (термобаллон, капилляр, манометрическая пружина) заполняется рабочим веществом. Термобаллон помещают в зону измерения температуры. При нагревании термобаллона давление рабочего вещества внутри замкнутой системы увеличивается. Увеличение давления воспринимается манометрической трубкой (пружиной), которая воздействует через передаточный механизм на стрелку или перо прибора. Термобаллон обычно изготовляют из нержавеющей стали, а капилляр — из медной или стальной трубки с внутренним диаметром 0,15—0,5 мм. В зависимости от назначения прибора длина капиллярной трубки может быть различна (до 60 м). Для защиты от механических повреждений капилляр помещают в защитную оболочку из стального плетеного рукава. Иногда капилляра может не быть и термобаллон непосредственно соединяется с манометрической частью. Манометрические термометры широко применяют в химических производствах. Они просты по устройству, надежны в работе и при отсутствии электропривода диаграммной бумаги — взрыво- и пожаробезопасны. С помощью этих приборов можно измерять температуру в диапазоне от —120 до +600° С.