Методы и приборы измерения температур

                           Методы и приборы измерения температур

Цель  работы: изучение принципа действия датчиков и приборов для измерения температуры. Методы измерения температур.

Для измерения температуры  при контроле влажностно-тепловых процессов  производства используют различные приборы-термометры. Эти приборы градуируются в градусах (°С).

Для измерения температуры  контактным методом используются следующие  термометры:

• расширения, измеряющие температуру по тепловому расширению жидкостей (жидкостные) или твердых тел (дилатометрические, биметаллические);
• манометрические, использующие зависимость между температурой и давлением газа (газовые) или насыщенных паров жидкости (конденсационные), а также между температурой и объемом жидкости (жидкостные) в замкнутом пространстве термосистемы;
• термоэлектрические, действие которых основано на измерении термоэлектродвижущей силы (термо-э.д.с.), развиваемой термопарой (спаем) из двух разнородных проводников;
• сопротивления, использующие зависимость электрического сопротивления проводника от его температуры.

Для измерения  температуры бесконтактным методом  используют пирометры:

• яркостные, измеряющие температуру по яркости накаленного тела в заданном узком диапазоне длин волн;
• радиационные, измеряющие температуру по тепловому действию суммарного излучения нагретого тела (во всем диапазоне длин волн);
• цветовые, принцип действия которых основан на измерении отношений энергий, излучаемых телом в разных спектральных диапазонах.

По характеру  получения информации различают  пирометры для локального измерения температуры в данной точке объекта и для анализа температурных полей - тепловизоры.

Жидкостные  стеклянные термометры расширения. Измерение температуры жидкостными стеклянными термометрами основано на различии коэффициентов объемного расширения жидкости и стеклянной оболочки термометра. Пределы измерения жидкостных стеклянных термометров - от -120 °С до +650 °С. Для наполнения термометров используют различные термометрические жидкости: ртуть, этиловый спирт, керосин, петролейный эфир, пентан.

По конструктивному  исполнению жидкостные стеклянные термометры выпускаются трех типов:

1.Термометры  палочные (тип А). У этого типа  термометров толстостенный массивный  капилляр переходит в резервуар,  который изготовлен из стекла  или припаян к нему в виде заготовки заданной конфигурации. Деления шкалы нанесены на наружной поверхности капиллярной трубки. Такую конструкцию имеют большинство образцовых термометров.

2.Термометры  со шкалой, вложенной внутрь стеклянной  оболочки (тип Б). У этого типа  термометров капилляр впаян в оболочку, из стекла которой сформирован чувствительный элемент - резервуар. Шкала изготовлена из стекла молочного цвета, из алюминия или бумаги. Такие термометры получили наибольшее распространение.

3.Термометры  с наружной шкальной пластиной (тип В). Этот тип термометров изготовлен в виде капиллярной трубки, прикрепленной к шкальной пластине или оправе, на которых нанесена шкала. Такие термометры применяют в основном для измерения температуры воздуха в производственных или бытовых помещениях.

По способу  получения информации об изменении  температуры термометры подразделяются на контрольные (предназначены для визуального отсчета показаний) и контактные (предназначены для замыкания или размыкания цепей электрического тока с целью поддержания постоянной температуры или сигнализации о достижения температурой заданного значения).

Контактные  термометры (электротерморегуляторы) изготовляют как с заданной температурой контактирования, так и с магнитной регулировкой положения контакта, обеспечивающей сигнализацию или поддержание температуры в любой точке предела измерения термометра.

Некоторые типы жидкостных стеклянных термометров  расширения показаны на рис.1.

Помимо термометров  специального назначения в промышленности для контроля температуры влажностно-тепловых процессов используют термометры промышленные, лабораторные и метеорологические.

Рис.1. Жидкостные стеклянные термометры расширения

а, б - технические с  вложенной шкалой прямой и угловой; г - лабораторный химический с вложенной шкалой; в - электротерморегулятор палочный двух контактный угловой; д - электротерморегулятор с магнитной регулировкой контакта;

Некоторые из этих термометров (ТС-11, ТМ-4, ТМ-6) применяют  для измерения влажности воздуха психрометрическим методом.

Все контактные термометры и термоконтакторы заполняются  ртутью.

Перед установкой на технологическом оборудовании жидкостные стеклянные термометры расширения должны пройти стендовую поверку: внешний  осмотр, поверку показаний и постоянства показаний.

При внешнем  осмотре проверяют: целостность  стеклянной оболочки термометра и капилляра; закрепление шкалы (не должна перемещаться) и четкость надписей на ней; отсутствие разрывов столбика жидкости в капилляре и следов испарившейся жидкости на его стенках; состояние выводов электрических контактов для электроконтактных термометров.

При поверке жидкостных стеклянных термометров расширения используют термостат, в который  помещают поверяемый термометр и  образцовый термометр более высокого класса точности. Показания отсчитывают после легкого постукивания по термометрам.

Постоянство показаний  термометра поверяют путем поверки  положения его нулевой точки  перед основной поверкой и сразу  после нее, т.е. после нагрева термометра до максимальной температуры. Постоянство показаний термометров, не имеющих нулевой точки, поверяют по нижней оцифрованной отметке шкалы.

К числу устранимых дефектов жидкостных стеклянных термометров  расширения относят разрыв столбика жидкости в капилляре и наличие следов испарившейся жидкости на стенках капилляра. Для устранения этого дефекта термометр подвергают шестикратному нагреванию до максимальной температуры. Если при этом налет на стенках капилляра не исчезнет или обнаружится неустранимый разрыв столбика жидкости, то термометр заменяют новым. В некоторых случаях удается устранить дефекты связанные с окислением контактов или разрывами электрической цепи электроконтактных термометров.

Жидкостные стеклянные термометры расширения, у которых  при стендовой поверке выявляются неустранимые дефекты, признают негодными для дальнейшего использования и не ремонтируют.

При установке на технологических  аппаратах и трубопроводах жидкостные стеклянные термометры обычно помещают в защитные металлические оправы (рис.2).

Для уменьшения тепловой инерционности пространство между внутренней стенкой кармана оправы и нижней части термометра заполняют медными опилками или заливают минеральным маслом.

Рис.2. Защитные оправы для жидкостных термометров:

1 -чехол; 2 - карман; l - длина нижней части (глубина погружения) оправы.

При установке термометра его нижнюю часть полностью погружают  в измеряемую среду, на прямом участке  трубы термобаллон термометра располагают  в центре потока, при монтаже на изгибе трубопровода ось термобаллона должна совпадать с осью трубопровода, а сам термобаллон должен быть направлен навстречу потоку. Для установки термометров на трубопроводах диаметром менее 57 мм используют различные расширители.

Дилатометрические и биметаллические термодатчики. Дилатометрические и биметаллические термодатчики предназначены для сигнализации и регулирования температуры воздуха в помещениях, а также для контроля жидких и газообразных сред (воздуха, воды и т.д.).

Датчики-реле являются не показывающими приборами, а имеют  шкалу задания температуры срабатывания контактов.

Чувствительный элемент  дилатометрических термодатчиков  состоит из трубки 1 (см. рис. 3), изготовленной  из металла с большим коэффициентом  температурного линейного расширения (латунь, алюминий и др.), и находящегося внутри трубки стержня 2 из металла с малым коэффициентом расширения (например инвара). Трубку прибора полностью помещают в контролируемую среду. При изменении температуры среды изменяется длина трубки. Связанный с ней стержень перемещается, в результате чего замыкаются (размыкаются) контакты или перемещается чувствительный элемент преобразователя.

В качестве чувствительного  элемента в биметаллических преобразователях используется пластинка или спираль, состоящая из двух сваренных по всей длине металлических пластин 1, 2 (рис.4) с разными коэффициентами температурного линейного расширения (например из меди и инвара). При изменении температуры среды биметаллическая пластинка (спираль) изгибается, перемещая чувствительный элемент преобразователя или переключая контакты.

В производстве используют термодатчики двухпозиционные типа ДТКБ (биметаллические) и типа ТУДЭ (дилатометрические), а также трехпозиционные типа ТБ-ЭЗК (биметаллические).

Дилатометрические и  биметаллические термодатчики всех модификаций монтируют в любом положении (вертикальном, наклонном горизонтальном). Датчики камерные биметаллические типа ДТКБ устанавливают на высоте 1,5...1,8 м от пола, типа ТБ-ЭЗК - на высоте 1,8...2 м. При измерении температуры среды в трубопроводе середина чувствительного элемента дилатометрического термометра должна совпадать с осью потока. При необходимости чувствительный элемент помещают в гильзу, однако при этом сильно возрастает тепловая инерционность термометра. Биметаллические датчики-реле нельзя устанавливать в нишах и за различными декоративными элементами, что препятствует нормальной циркуляции воздуха около прибора и значительно увеличивает погрешность измерения, а также в местах, подверженных воздействию внешних источников тепла (отопительные батареи, солнечная радиация и т.д.). Расстояние прибора от стены должно быть не менее 50...70 мм. При монтаже и эксплуатации следят, чтобы циркуляция воздуха вокруг приборов была свободной, относительная влажность окружающей среды - 30...80 %.

Техническое обслуживание термодатчиков состоит в периодическом  осмотре и поверке согласно графикам, установленным метрологической службой.

Манометрические термометры. Манометрические термометры предназначены для дистанционного измерения температуры газов (воздуха, аммиака, углекислого газа, сероводорода, метана и др.), паров жидкостей.

К преимуществам  манометрических термометров по сравнению с аналогичными преобразователями другого принципа действия относят возможность дистанционного измерения параметров без использования источников дополнительной энергии; простоту конструкции и большую надежность при эксплуатации; равномерность шкалы; взрывобезопасность; отсутствие чувствительности к внешним электромагнитным полям.

Манометрические термометры (рис.5) состоят из герметично замкнутой термосистемы (термобаллон, соединительный дистанционный капилляр, упругий чувствительный элемент) и показывающего или записывающего устройства. В зависимости от заполнителя термосистемы манометрические термометры изготовляют трех видов: газовые - с азотом; жидкостные - с полиметилсилоксановыми жидкостями; конденсационные (парожидкостные) - с ацетоном, метилом, хлоридом фреона.

Рис.5. Схема  устройства манометрического термометра:

1 -термобаллон; 2 - хвостовик; 3 - капилляр; 4 - манометрическая трубка (пружина); 5 - зубчатое колесо, соединенное со стрелкой; 6 - спиральная пружина, служащая для устранения люфта в зубчатом зацеплении; 7 - тяга; 8 - зубчатый сектор.

Максимально допустимые значения показателя тепловой инерции манометрических термометров приведены в таблице 1.

Показатель  тепловой инерции - это время, необходимое  для того, чтобы при внесении термометра в среду с постоянной температурой разность между показаниями термометра и температурой среды составила 37 % от первоначального значения этой разности. Величина тепловой инерции увеличивается с возрастанием длины дистанционного капилляра.

Дистанционный капилляр изготовлен из латуни или  сталей Х18Н10Т и Х18Н10Т-М. Для защиты от механических повреждений капилляр помещен в оболочку из полиэтилена или оцинкованной стальной ленты.

Термобаллон металлических  термометров снабжен жестким  трубчатым хвостовиком различной  длины, позволяющим погружать его  в измеряемую среду на необходимую  глубину, которая оговаривается при заказе термометра. Для присоединения термобаллона к установке служит штуцер из стали А20 или Х18Н10Т.

При погружении термобаллона в среду под давлением  свыше 64×10⁵ Па, а также в случае, если смена термобаллона может повлечь за собой остановку аппарата, рекомендуется применять защитную гильзу, выдерживающую давление 250×10⁵ Па. Для снижения тепловой инерции пространство между гильзой и термобаллоном заполнено металлическими опилками или жидкостью с температурой кипения более высокой, чем верхний предел измерений.

Таблица 1

Показатели  тепловой инерции манометрических  термометров 

Принцип действия и устройство термоэлектрического термометра. Термоэлектрическим термометром называют термопару,  снабженную защитной арматурой. Принцип работы термопары состоит в следующем. Если составить замкнутую цепь из двух разнородных проводников  и  нагреть  один её спай,  то в цепи возникнет электрический ток.

Замкнутая электрическая  цепь  (рис.6а),  состоящая  из двух разнородных проводников - термоэлектродов А и В, образует термоэлемент (термопару). Спай, погружаемый в измеряемую среду, называется рабочим или горячим спаем термопары;  второй спай носит название свободного или холодного.

Рис.6. Схемы  термоэлектрических цепей:

а - цепь состоящая  из двух разнородных проводников; б - схема включения третьего проводника в цепь термопары.

Суммарную электродвижущую силу замкнутой цепи из проводников А и В,  спаи которых нагреты до температуры t и t_о можно выразить уравнением:

E_АВ(t,t_o) = e_AB(t) + e_BA(t_o),

где E_AB(t,t_o) - суммарная т.э.д.с.  термопары;  e_AB(t), e_BA(t_o) - потенциалы, возникающие в местах соприкосновения проводников. Индексы при E и e указывают направление т.э.д.с.:  от A к B или от B к A. При изменении порядка индексов, например, у символа e_BA 0должен измениться также и знак, т.е.:

E_AB(t,t_o) = e_AB(t) - e_AВ(t_o).

Так как  потенциалы е спаев зависят от температуры,  то суммарная т.э.д.с., наблюдаемая в цепи из двух разнородных проводников с разными температурами спаев,  равна разности функций температур t и t_o:

E_AB(t,to) = f₁(t) - f₂(to).

Поддерживая температуру  одного из спаев постоянной, например полагая, что t₀=const, т.е. f₂(t_o)=const, получим:

E_AB(t,to) =  f₁(t)  -  const    

или                                      E_AB(t,to) = f(t),      (*)

где  f(t)=f₁(t) - const.

Таким образом,  если  для данной термопары экспериментально, т.е. путем градуировки, найдена последняя зависимость (*), то измерение  неизвестной  температуры сводится к определению т.э.д.с.  термопары, которая невелика (0,01-0,06 мВ на 1 ^оС), но все же достаточна ля измерения посредством измерительного прибора.

При введении в цепь термопары третьего проводника  (рис.6 б), если концы последнего имеют одинаковые температуры, т.э.д.с. термопары не изменяется ( то же относится и к  нескольким  проводникам).  Поэтому  включение цепь термопары соединительных проводов, измерительных приборов и подгоночных сопротивлений не  отражается на точности измерения.

Термопары, как  правило, градуируются при температуре  свободного спая t_o=0 ^oC. В действительности же температура холодных спаев термопары отличается от 0 ^оС,  поэтому для нахождения  действительной температуры вводят поправку по уравнению:

E_AB(t,t_o) = E_AB(t,t¢_o) ± E_AB(t¢_o,t_o),

где E_AB(t,t_o) - т.э.д.с.,  развиваемая термопарой при температурах рабочего t и свободного t¢_o спаев; E_AB(t¢_o,t_o) - т.э.д.с., развиваемая термопарой при температуре рабочего спая t¢_o и свободного t_o.

Поправка E(t¢_o,t_o) имеет знак плюс в случае, когда t¢_o>t_o, а минус - в случае, когда t¢_o<t_o.

Конструктивно термопара представляет собой две  проволоки  из разнородных металлов,  нагреваемые концы которых скручиваются,  а затем свариваются или спаиваются (рис. 7).

Рис.7. Технические  термопары:

а - термопара  ТПП; б - термопары ТХК и ТХА;1 - рабочий спай;  2 - фарфоровый защитный чехол; 3 - фарфоровая трубка;  4 - металлическая трубка; 5 - термоэлектроды; 6 - фарфоровые бусы; 7 - неподвижный штуцер

Термоэлектроды  изолируются обычно одноканальными или двухканальными фарфоровыми трубками и помещаются в защитный чехол.  Для соединения  термоэлектродов с внешней цепью служит головка термопары, выполненная из электроизоляционного материала.

Для устранения влияния изменения температуры  окружающей среды на величину возникающей  т.э.д.с.  свободные  концы  термопары  термостатируют  или применяют  специальные компенсирующие устройства.

Соединение  термопары  с  вторичными  приборами  производится термоэлктродными проводами, изготовленными из таких же материалов что и сама термопара, или из других сплавов, развивающих в пределах до 100 ^оС т.э.д.с. равную т.э.д.с. термопары.

В качестве  вторичных приборов в комплекте с термопарами для измерения температуры используются, как правило, лабораторные или автоматические потенциометры или милливольтметры.

Основные данные серийно выпускаемых термопар приведен в таблице 2 (в скобках  указаны  верхние пределы измерения при кратковременном режиме измерения).

                                                                             Таблица 2

Стандартные градуировочные характеристики некоторых термопар приведены в таблице 3.

Таблица 3

Термометры  сопротивления - это датчики, принцип действия которых основан на зависимости электрического сопротивления металлов и полупроводников от температуры.  Их широко  используют  для измерения температур от -200 ^оС до +700 ^оС.

Наиболее часто  используют термометры сопротивления  из меди и платины, а также из полупроводниковых  материалов. К материалу металлического  термометра  сопротивления  предъявляются  следующие требования:

1. Химическая  инертность;

2. Постоянство  физических  свойств  в  интервале измеряемых температур;

3. Линейность  зависимости сопротивления от  температуры;

4. Высокая чувствительность;

5. Достаточно  большое  значение температурного  коэффициента сопротивления

где R₁₀₀, R₀ - сопротивление термометра при t=100 ^oС и t=0 ^oС.  Статическая характеристика металлических термометров сопротивления может быть записана в виде формулы:

R = R_o[1 + a(t - t_o)],

где a - температурный коэффициент сопротивления,  (град)^-1;  R_о -сопротивление термометра при t_о, Ом;  R - сопротивление термометра при температуре t, Ом.

Для меди и платины  температурный коэффициент сопротивления a и удельная электропроводность r соответственно равны:

  a_Cu =  4,28×10^-3, град^-1;   r_Cu  = 0,018,   Ом×мм²/м;

  a_Pt =3,9×10^-3,     град^-1;  r_Pt = 0,1,        Ом×мм²/м.

 Основные  данные серийно выпускаемых металлических  термометров сопротивления приведены  в таблице 4.

Таблица 4

Чувствительные  элементы  металлических термометров  сопротивления изготавливают в виде катушек с бифилярной намоткой  (провод необходимой длины складывают пополам и свободные концы наматывают параллельно друг другу на катушку).  За счет  бифилярной  намотки устраняется влияние внешних полей, вихревых и индукционных токов.

Градуировочные  характеристики некоторых  термометров  сопротивления приведены в таблице 5.

Таблица 5

Защитная арматура термометров сопротивления обычно  выполняется также, как и в  случае промышленных термопар.

Полупроводниковые термометры  сопротивления  обладают значительно большей чувствительностью, чем металлические.

Серийно выпускаются  две группы полупроводниковых терморезисторов:

1. Термисторы  - с отрицательным температурным  коэффициентом сопротивления;  их  сопротивление уменьшается с  увеличением температуры в соответствии с уравнением: R = R_¥ ×е ^b/t,    где t  -температура;  R_¥ -сопротивление термистора при t®¥; b - постоянный коэффициент, характеризующий чувствительность полупроводникового терморезистора.