Термометры стеклянные жидкостные Термометры стеклянные жидкостные используются для измерения температур в достаточно широком диапазоне, с границами от минус 200 до 750 0С. Эти термометры получили широкое распространение как в промышленности, так и в лабораторной практике. Рабочим веществом в жидкостных термометрах в зависимости от измеряемых температур могут использоваться различные жидкости, а корпуса термометров изготавливаются из стекла различных марок (боросиликатное и кварцевое стекло). Область применения стеклянных термометров, а также значения коэффициентов видимого и действительного расширения приведены в таблице 2.3. Принцип действия таких термометров основан на тепловом расширении рабочей жидкости, заключенной в рабочий объем термометра, состоящий из резервуара и капилляра.
Б иметаллические термометры. В биметаллических термометрах в качестве рабочего тела используются твердые материалы (в основном металлы). Их принцип действия основан на изменении размеров твердого тела в зависимости от изменения температуры в ограниченном температурном диапазоне, в котором сохраняется линейная зависимость удлинения рабочего тела от температуры. Зависимость изменения длины твердого тела от температуры может быть выражена следующей формулой:
Lt = L0 ·(1 + α t),
где Lt, L0 –длина тела при рабочей и начальной температурах, соответственно; α – средний коэффициент линейного расширения твердого тела.
В качестве чувствительного элемента в биметаллических термометрах используется пластина из двух полос различных металлов, сваренных по всей длине. Поскольку коэффициент линейного термического расширения для этих металлов различен, то при нагревании пластины происходит ее изгиб в направлении металла с меньшим коэффициентом расширения. При этом изгиб пластины может быть преобразован в перемещение указательной. Наиболее часто применяемыми металлами в биметаллических термометрах являются инвар-сталь или инвар-латунь.
Электрические термометры сопротивления. Принцип действия термометров сопротивления основан на свойстве веществ менять свое электрическое сопротивление при изменении температуры. Как показывает практика, большинство чистых металлов при нагреве на 1 С увеличивает свое сопротивление в среднем на 0,4-0,6 %, а окислы металлов (полупроводники) и водные растворы солей и кислот при нагревании, наоборот, уменьшают свое сопротивление. Причем изменение сопротивления полупроводников от температуры происходит в 5-10 больше, чем у чистых металлов. За счет этого свойства полупроводниковых материалов наряду с термометрами сопротивления из чистых металлов широко применяются полупроводниковые терморезисторы. Термометры сопротивления из чистых металлов изготавливаются обычно в виде обмотки из тонкой проволоки на специальном каркасе. Эту обмотку, являющуюся теплочувствительным элементом термометра, в целях предохранения от внешних воздействий заключают в защитную арматуру, аналогичную арматуре термопар
Теплочувствительный элемент технических термометров сопротивления обычно изготовляется из тонкой платиновой проволоки (диаметром от 0,05 до 0,07 мм) или ленты (сечением от 0,002 до 0,005 мм). Вследствие малой прочности теплочувствительного элемента, изготовленного из такой проволоки, предел измерения температуры для технических термометров сопротивления ограничен и лежит в интервале от -120 до 500 С. В отдельных случаях платиновые термометры сопротивления применяют в технике для измерения температуры в области от -200 до 700 С. При этом их необходимо изготовлять из проволоки более толстого диаметра от 0,1 мм. На рис. 2.27 приведены зависимости изменения сопротивления применяемых металлов в термометрах сопротивления от температуры. Как видно из рисунка, зависимость сопротивления чистой платины от температуры остается практически линейной в интервале температур от -40 до 650 С и определяется следующим уравнением:
Бесконтактная пирометрия. О температуре нагретого тела можно судить на основании измерения параметров его теплового излучения, представляющего собой электромагнитные волны различной длины. Чем выше температура тела, тем большую энергию оно излучает. Термометры, действие которых основано на измерении теплового излучения, называют пирометрами излучения (ПИ) или просто пирометрами. Они позволяют контролировать температуры в широком интервале: от 100 до 6000 0С и выше. Одним из главных достоинств является отсутствие влияния измерителя на температурное поле нагретого тела, так как в процессе измерения они не вступают в непосредственный контакт друг с другом. Поэтому данные методы получили название бесконтактных. Тела характеризуются либо непрерывным спектром излучения (твердые и жидкие вещества), либо - селективным (газы). Участок спектра в интервале длин волн 0,02-0,4 мкм соответствует ультрафиолетовому, участок 0,4-0,76 мкм - видимому, участок 0,76-400 мкм - инфракрасному излучению. Интегральное излучение – это суммарное излучение, испускаемое телом во всем спектре длин волн. Монохроматическим называют излучение, испускаемое при определенной длине волны
Фотоэлектрические ПЧИ делятся на две группы: 1) пирометры, в которых мерой температуры объекта является непосредственно величина фототока приемника излучения; 2) пирометры, которые содержат стабильный источник излучения, причем фотоприемник служит лишь индикатором равенства яркостей данного источника и объекта.
ПЧИ первой группы имеют простую конструкцию. Поток от объекта с помощью линзы и диафрагмы фокусируется на приемной площадке приемника излучения, в качестве которых в основном используются германиевые (спектральный диапазон 0,8-1,8 мкм) и кремниевые (0,5-1,1 мкм) фотодиоды, причем последние измеряют более высокие температуры. В цепь фотодиода, работающего в генераторном режиме, последовательно включается сопротивление нагрузки. Вторичный измерительный преобразователь обеспечивает получение усиленного нормированного выходного сигнала и его передачу на быстродействующий регистрирующий прибор или в АСУ ТП. Данные пирометры характеризуются малой инерционностью и высокой надежностью в работе. Пределы измерения от 450 до 2500 °С и выше. Основная допускаемая погрешность ±0,6 %.
При использовании в качестве приемника излучения фотосопротивлений с эффективными длинами волн в интервале 2,2-3,43 мкм (2,2; 2,3; 2,4; 2,5; 3,43) ПЧИ позволяют контролировать температуру в интервале от 50 до 1400 0С с максимальной основной погрешностью 1,0-2,5 %. Стационарные ПЧИ фотодиодного типа имеют небольшие габариты (диаметр корпуса 25 и 50 мм, длина 195 и 275 мм). Показатель визирования колеблется от 1/25 до 1/300. Приемник излучения термостатирован. Температура термостатирования (48 0С) регулируется с помощью специального транзистора вторичным измерительным преобразователем. Переносные ПЧИ обеспечивают измерение температуры в интервале 15-1500 С при рабочем расстоянии от ПИ до объекта 0,6-15 м с допускаемой основной по- грешностью 1,0-2,5 % и показателями визирования от 1/15 до 1/250. Конструктивно ПИ выполнен в виде малогабаритного переносного прибора, по своему внешнему виду напоминающему пистолет. Оператор с помощью переключателя 23 и корректора 16, устанавливает на табло 15 величину степени черноты измеряемого объекта. Затем переключатель 23 переводится в крайнее верхнее положение (0С), и оператор через окно окуляра 9 наводит ПИ на объект. Нажатием на кнопку включения запоминания 20 на цифровом табло фиксируется величина измеренного значения температуры. Таким образом, данный ПИ обеспечивает индикацию измеряемой температуры и задаваемой степени черноты, запоминание текущего и максимального значений температуры, индикацию разряда аккумуляторной батареи питания. Установка величины степени черноты производится в пределах от 0,1 до 1,0 с дискретностью 0,01.
Термоэлектрический метод измерения температур Термоэлектрический метод измерения температур основан на функциональной зависимости термоэлектродвижущей силы (термо-э.д.с.) от температуры. Термометры, в которых реализуется данный принцип, обычно состоят из чувствительного элемента, представляющего два спаянных разнородных металла (термопара), и электроизмерительного прибора. Данные термоэлектрические термометры используются для измерения температур в диапазоне от минус 200 до 2500 0С. К достоинствам термоэлектрических термометров можно отнести высокую точность, возможность раздельной градуировки датчика температуры и измерительного прибора, возможность централизованного контроля температуры, измеряемой несколькими датчиками, а также записи температуры на самопишущих приборах и дистанционной передачи информации. Недостатком термоэлектрического метода является влияние агрессивных сред на термопары с ростом температуры, что снижает срок их службы.
Теоретические основы термопар. В основу измерения температур с помощью термопар заложено физическое явление, открытое Зеебеком в 1821 году, возникновения электрического тока в цепи, составленной из различных двух проводников и температур в местах их присоединения. Рассмотрим электрическую цепь, приведенную на рис.2.11, состоящую из проводников А и В (например, меди и платины). При подогреве спая 1 в цепи появляется электрический ток, который направлен от платины В к меди А, а в холодном спае 2 – от меди к платине. При подогреве спая 2 ток меняет свое направление. При этом электродвижущая сила обусловлена неодинаковостью температур в спаях 1 и 2. Механизм возникновения термо-э.д.с. основан на учении о наличии свободных электронов в металлах. Так как в различных металлах плотноть свободных электронов неодинакова, то электроны из области с большей плотностью будут проникать в область с меньшей плотностью. Вследствие этого в местах соприкосновения двух разнородных металлов электроны, например, в спае 1 будут диффундировать из проводника А в проводник В в большем количестве, чем обратно из металла В в металл А. Поэтому проводник А будет заряжаться положительно, а металл В – отрицательно. При таком состоянии между проводниками А и В возникает некоторая разность потенциалов (динамическое равновесие).
Таким образом, термо-э.д.с., получаемую в цепи из двух разнородных проводников при разных температурах спаев, можно определить как разность э.д.с., развиваемую на этих спаях.
Термо-э.д.с., развиваемая термопарами для различных материалов невелика и составляет 0,01-0,07 мВ/град, и измеряется при помощи милливольтметров и потенциометров. Различные схемы подключения термопары к измерительному прибору представлены на рис. 2.12. В первом случае (рис.2.12, а) у термоэлектрического термометра будет три конца: рабочий 1, погружаемый в измерительную среду, и свободные 2 и 3, температура которых стабилизируется и к которым подключается измерительный прибор. Во втором случае (рис.2.12, б) у термометра будет четыре конца: рабочий 1, свободный 2 и нейтральные 3 и 4, которые могут иметь любую, но одинаковую температуру t1. Для увеличения чувствительности термоэлектрического термометра термопары включаются последовательно в батарею (рис.2.12, в), при этом свободные концы 2 термопар должны иметь одинаковую температуру, а результирующий сигнал батареи будет равен сумме отдельных сигналов. Для измерения разности температур при помощи термоэлектрического термометра применяется дифференциальная схема включения термопар (рис.2.12, г), при котором две термопары включаются встречно и измеряют различные температуры t1 и t2, а их свободные концы 3, 4 и 5 должны иметь также одинаковую температуру.
