1.2.2. Измерение температуры

Одним из параметров, подлежащих контролю при проведении большинства лабораторных работ, является температура.

В зависимости от физических свойств, положенных в основу их построения приборы для измерения температуры разделяются на следующие группы:

- термометры расширения;

- манометрические термометры;

- электрические термометры сопротивления;

- термоэлектрические преобразователи (термопары);

- пирометры.

Термометры расширения предназначены для изменения температур в диапазоне от -190 до +600 градусов Цельсия. Принцип действия термометров расширения основан на свойстве тел под действием температуры изменять объем, а следовательно, и линейные размеры. Термометры расширения разделяются на жидкостные стеклянные и механические (дилатометрические и биметаллические).

Ртутные термометры относятся к жидкостным термометрам расширения, которые работают по принципу изменения объема жидкости в зависимости от температуры. Все жидкостные стеклянные термометры состоят из сосуда (шарика), переходящего в капиллярную трубку, запаянную сверху. Сосуд и капилляр изготовляются из одного и того же материала. Шкалу выполняют в виде вложенной шкальной пластинки либо наносят на массивную капиллярную трубку. Промышленностью выпускаются ртутные термометры для измерения температуры от -35 до 600 ^оС. Для измерения температур в диапазоне от –80 до 80 ⁰С в качестве рабочей жидкости используется этиловый спирт.

Манометрические термометры предназначены для измерения температуры в диапазоне от -160 до +600 градусов Цельсия. Принцип действия манометрических термометров основан на изменении давления жидкости, газа или пара, помещенных в замкнутом объеме, при нагревании или охлаждении этих веществ;

Электрические термометры сопротивления применяются для измерения температур в диапазоне от -200 до +650 градусов Цельсия. Принцип действия термометров сопротивления основан на свойстве металлов, сплавов и некоторых полупроводников изменять величину сопротивления с изменением температуры.

Одно из возможных конструктивных исполнений термометра сопротивления показано на рис.1.5. Каркас 1 изготовляется из электроизоляционного материала (фарфор, кварц, слюда и др.). В качестве чувствительного элемента применяется обычно медная проволока 2 толщиной 0,05 - 2 мм, хотя в качестве материала проволоки в зависимости от назначения термометра сопротивления может быть платина, золото, железо, никель, константан и др.

Термометр сопротивления применяется с защитным кожухом 3 или без него.

Для измерения сопротивления такого термометра используется мостовой метод, схема которого аналогична приведенной на рис.1.4.

Медные термометры сопротивления применяются для измерения температур в пределах от – 50 до +180, платиновые от

– 200 до +65 градусов Цельсия.

Наряду с термометрами сопротивления из металлических проводников для измерения температуры находят также применение полупроводниковые термометры сопротивления - терморезисторы. Терморезисторы, представляющие непроволочные объемные нелинейные резисторы различной формы (цилиндрические, шайбовые и др.), в отличие от металлических резисторов имеют отрицательный температурный коэффициент, т. е. при нагревании уменьшают свое сопротивление.

Достоинством термометров сопротивления является возможность передачи показа-

Рис. 1.5 ний на расстояние и их автоматической регистрации.

Термоэлектрические преобразователи используются при измерения температуры от 0 до +1800 градусов Цельсия.

Действие термоэлектрических термометров основано на свойстве металлов и сплавов создавать термоэлектродвижущую силу (термо - э. д. с), зависящую от температуры места соединения (спая) концов двух разнородных проводников (термоэлектродов), образующих чувствительный элемент термометра - термопару.

Существующее представление о механизме образования термо - э. д. с. основывается на том, что концентрация свободных электронов в единице объема межмолекулярного пространства проводника, зависит от материала проводника и его температуры. При соединении одинаково нагретых концов двух проводников из разнородных материалов, из которых в первом количество свободных электронов в единице объема больше, чем во втором, последние будут диффундировать из первого проводника во второй в большем числе, чем обратно. Таким образом, первый проводник станет заряжаться положительно, а второй – отрицательно: появится некоторая разность потенциалов (термо - э.д.с). С увеличением температуры проводников значение этой термо - э. д. с. также увеличивается. Располагая законом изменения термо - э. д. с. термопары от температуры и определяя значение термо - э. д. с. электроизмерительным прибором, можно найти искомое значение температуры в месте измерения.

Принципиальное устройство термоэлектрического термометра представлено рис. 1.6. Он состоит из спая 1 двух разнородных термоэлектродов 2, защитного чехла 3 и головки с зажимами 4 для подключения измерительного прибора, в качестве которого, применяются магнитоэлектрические милливольтметры либо потенциометры.

В качестве термоэлектродных материалов для изготовления термометров применяются главным образом чистые металлы и их сплавы. Наибольшее распространение для изготовления термоэлектрических термометров получили материалы: платина, платинородий, хромель, алюмель и копель. Для измерений в лабораторных установках находят также применение медь, железо и константан.

Материалы наиболее используемых термопар Рис. 1.6

и их характеристики приведены в таблице 1.1.

С целью повышения точности измерения температуры, термопары выполняют двухспайными, например рис.1.7.

Рис. 1.4

Рис.1.7 Рис. 1.8

Термоэлектроды А и Б имеют спаянные концы. Спай, который закреплен на объекте с температурой t₁ , называют измерительным, а спай с температурой t₂ – спаем сравнения. При измерении температуры термопарами, для удобства отсчета, спай сравнения помещают в теплоизолированный сосуд, например с тающим льдом (см. рис.1.7), тогда t₂ = 0⁰C. Если в эксперименте требуется замерять температуру t, которая незначительно отличается от t₀ , то для увеличения сигнала используют многоспайную дифференциальную термопару, схема которой представлена на рис. 1.8.

Т а б л и ц а 1.1

Термопары и их маркировка

Рис. 1. 6

Материал электродов	Состав материала	Маркировка	Teрмо-эдс на 100 0С, мв	Диапазон применения, 0С
Железо – Константан	100% Fe 55%Gu+45%Ni	ТЖК	5,0 – 6,4	От -200 до +750
Медь – Константан	100% Cu 55% Cu+45%Ni	ТМК	4,0 – 6,0	От –200 до +500
Хромель – Копель	90%Ni+10%Cr 56%Cu+44%Ni	ТХК	6,8 – 8,8	От –200 до +600
Хромель – Алюмель	90%Cu+10%Cr 95%Ni+5%Al	ТХА	3,5 – 4.2	От -200 до +1300
Платина-платинородий	100%Pt 87%Pt+13%Rh	ТПП	1,0 – 1,4	От +630 до +1600
Вольфрам – Рений	95%W+5%Re 80%W+20%Re	А-3	1,4 – 0, 7	От 0 до +2200

Термоэлектрические термометры широко применяются в энергетических установках для измерения температуры перегретого пара, дымовых газов, металла труб котлоагрегатов и т. п. Положительными свойствами их являются: большой диапазон измерения, высокая чувствительность, незначительная инерционность, отсутствие постороннего источника тока и легкость осуществления дистанционной передачи показаний.

Приборы для бесконтактного контроля температуры называются пирометрами. В настоящее время реализуется большое количество пирометров различающихся по принципу действия, по диапазону измеряемой температуры, по области применения, по исполнению.

По принципу действия пирометры можно разделить на оптические, радиационные и цветовые.

Оптические позволяют визуально определять температуру нагретого тела, путем сравнения его цвета с цветом эталонной нити.

Радиационные оценивают температуру посредством пересчитанного показателя мощности теплового излучения. Если пирометр измеряет в широкой полосе спектрального излучения, то такой пирометр называют пирометром полного излучения.

Цветовые (другие названия: мультиспектральные, спектрального отношения) – позволяют делать вывод о температуре объекта, основываясь на результатах сравнения его теплового излучения в различных спектрах.

В температурном диапазоне: низкотемпературные обладают способностью показывать отрицательные температуры объектов по шкале Цельсия; высокотемпературные оценивают температуру сильно нагретых тел, когда определение «на глаз» не представляется возможным.

Исполнение пирометров имеется переносное и стационарное.

Переносные удобны в эксплуатации в условиях, когда необходима высокая точность измерений, в совокупности с хорошими подвижными свойствами, например, для оценки температуры труднодоступных объектов. Обычно они снабжены небольшим дисплеем, отображающим графическую или текстово-цифровую информацию.

Стационарные. Предназначены для более точной оценки температуры объектов. Используются в основном в крупной промышленности, для непрерывного контроля технологического процесса производства расплавов металлов и пластиков и др.

Пирометры применяют для дистанционного определения температуры объектов в научных исследованиях, в быту, в технологических этапах производства (сталелитейная промышленность, нефтеперерабатывающая отрасль и др.). Пирометры могут выступать в роли средства безопасного дистанционного измерения температур раскаленных объектов, что делает их незаменимыми для обеспечения должного контроля в случаях, когда физическое взаимодействие с контролируемым объектом невозможно из-за высоких температур. Их можно применять в качестве теплолокаторов (усовершенствованные модели), для определения областей критических температур в различных производственных сферах.