Приборы для измерения температуры. 3

План: 

1.Понятие  о температуре  и о температурных  шкалах

2. Устройства для  измерения температур

3. Жидкостные стеклянные  термометры

4. Биметаллические  и дилатометрические  термометры

5. Манометрические  термометры

6. Общие сведения  о термометрах  сопротивления

7. Платиновые термометры  сопротивления

8. Медные термометры  сопротивления

9. Вопросы для самоконтроля

10. Тесты

11.Использованная  литература 

Понятие о температуре  и о температурных шкалах

     Температурой  называют величину, характеризующую тепловое состояние тела. Согласно кинетической теории температуру определяют как меру кинетической энергии поступательного движения молекул. Отсюда температурой называют условную статистическую величину, прямо пропорциональную средней кинетической энергии молекул тела.

     Температура не поддается непосредственному измерению. Поэтому о состоянии теплового равновесия и о значении температуры судят по изменению физических свойств тел.

     Первым  устройством, созданным для измерения  температуры, считают водяной термометр Галилея (1597 г.) Термометр Галилея не имел шкалы и был, по существу, лишь индикатором температуры. Полвека спустя, в 1641 г., неизвестным для нас автором был изготовлен термометр со шкалой, имеющей произвольные деления. Спустя еще полвека Ренальдини впервые предложил принять в качестве постоянных точек, характеризующих тепловое равновесие, точки плавления льда и кипения воды. При этом температурной шкалы еще не существовало. Первая температурная шкала была предложена и осуществлена Д. Г. Фаренгейтом (1724 г.). Температурные шкалы устанавливались произвольным выбором нулевой и других постоянных точек и произвольным принятием интервала температуры в качестве единицы.

     Фаренгейт не был ученым. Он занимался изготовлением стеклянных приборов. Ему стало известно, что высота столба ртутного барометра зависит от температуры. Это навело его на мысль создать стеклянный ртутный термометр с градусной шкалой. В основу своей шкалы он положил три точки: 1 — «точка сильнейшего холода (абсолютный нуль)», получаемая при смешениях в определенных пропорциях воды, льда и нашатыря, и принятая им за нулевую отметку (по нашей современной шкале, равная примерно -17,8°С); 2— точка плавления льда, обозначенная им +32°, и 3 — нормальная температура человеческого тела, обозначенная +96° (по нашей шкале +35,6°С). Температура кипения воды первоначально не нормировалась и лишь позднее была установлена +212° (при нормальном атмосферном давлении).

     Через несколько лет, в 1731 г. Р. А. Реомюр предложил  использовать для стеклянных термометров спирт такой концентрации, который при температуре плавления льда заполнял бы объем в 1000 объемных единиц, а при температуре кипения расширялся бы до 1080 единиц. Соответственно температуру плавления льда Реомюр предложил первоначально обозначить 1000°, а кипения воды 1080* (позднее 0° и 80°).

     В 1742 г. А. Цельсий, используя ртуть  в стеклянных термометрах, обозначил  точку плавления льда за 100°, а точку кипения воды за 0°. Такое обозначение оказалось неудобным и спустя 3 года Штремер (или возможно К. Линней) предложил изменить обозначения, принятые вначале Цельсием, изменить на обратные.

     Был предложен и ряд других шкал. М. В. Ломоносов предложил жидкостный термометр со шкалой 150° в интервале от точки плавления льда до точки кипения, воды. И, Г. Ламберт (1779 г.) предлагал воздушный термометр со шкалой 375°, принимая за 1° одну тысячную часть расширения объема воздуха. Известны также попытки создать термометры на основе расширения твердых тел (П. Мушен-брук, 1725 г.).

     Все предлагаемые температурные шкалы  строились (за редким исключением) одинаковым путем: двум постоянным точкам присваивались определенные числовые значения и предполагалось, что видимое термометрическое свойство используемого в термометре вещества линейно связано с температурой t:

     где k— коэффициент пропорциональности;

     Е — термометрическое свойство;

     D — постоянная. 

     В 1848 г. Кельвин (У. Томсон) предложил построить  температурную шкалу на термодинамической основе, приняв за нулевое значение температуру абсолютного нуля и обозначив температуру плавления льда +273,1°. Термодинамическая температурная шкала базируется на втором законе термодинамики.

     По  мере расширения научных наблюдений и развития промышленного производства возникла естественная необходимость установить какую-то единую температурную шкалу. Первая попытка в этом направлении была предпринята в 1877 г., когда Международный комитет мер и весов принял в качестве основной температурной шкалы стоградусную водородную шкалу. За нулевую отметку была принята точка таяния льда, а за 100°- точка кипения воды при нормальном атмосферном давлении 760 мм. рт. ст. Температура определялась по давлению водорода в постоянном объеме. Нулевая отметка соответствовала давлению 1000 мм. рт. ст.

     В начале XX в. широко применялись шкалы Цельсия (или Фаренгейта — в англо-американских странах) и Реомюра, а в научных работах — также шкалы Кельвина и водородная.

     Температуры, измеряемые по международной шкале, обозначаются через ^СС. В отличие от градусов шкалы Цельсия — базирующейся также на точках плавления льда и кипения воды при нормальном атмосферном давлении и имеющей обозначения 0° и 100°С, но построенной на иной основе (на линейной зависимости между температурой и расширением ртути в стекле), градусы по международной шкале стали называть «градусами международными» или «градусами стоградусной шкалы».

 Устройства для измерения температур

     Температуру измеряют с помощью устройств, использующих различные термометрические свойства жидкостей, газов и твердых тел. Существуют десятки различных устройств, применяемых в промышленности, при научных исследованиях и для специальных целей. В табл. 1 приведены наиболее распространенные устройства для измерения температуры и практические пределы их применения.

     До  последнего времени узаконенных  терминов и их определении для устройств измерения температуры не существовало. Только в июле 1968 г. был введен в действие новый ГОСТ 13417—67, устанавливающий такие понятия. Приведем некоторые из них.

     Таблица   1

     Практические  пределы применения наиболее распространенных устройств для промышленных измерении температур 

     Термометром называют устройство (прибор), служащее для измерения температуры путем преобразования ее в показания или сигнал, являющийся известной функцией температуры.

     Чувствительным элементом термометра называют часть термометра, преобразующую тепловую энергию в другой вид энергии для получения информации о температуре.

     Различают термометры контактные и бесконтактные. Чувствительный элемент контактного термометра входит в непосредственное соприкосновение с измеряемой средой-

     Пирометром  называют бесконтактный термометр, действие которого основано на использовании теплового излучения нагретых тел.

     Термокомплектом называют измерительную установку, состоящую из термометра, не имеющего собственной шкалы, и вторичного прибора, преобразующего выходной сигнал термометра в численную величину.

Жидкостные  стеклянные термометры

     Самые старые устройства для измерения  температуры — жидкостные стеклянные термометры — используют термометрическое свойство теплового расширения тел. Действие термометров основано на различии коэффициентов теплового расширения термометрического вещества и оболочки, в которой оно находится (термометрического стекла или реже кварца).

     Рис. 1. Схема жидкостного стеклянного термометра

     Жидкостной  термометр состоит из: стеклянного баллона 1, капиллярной трубки 3 и запасного резервуара 4 (рис. 1). Термометрическое вещество 2 заполняет баллон и частично капиллярную трубку. Свободное пространство в капиллярной трубке и в запасном резервуаре заполняется инертным газом или может находиться под вакуумом (при температурах меньше +ЮО°С). Запасный резервуар или выступающая за верхним делением шкалы часть капиллярной трубки служит для предохранения термометра от порчи при чрезмерном перегреве.

     О температуре судят по величине видимого изменения объема термометрического вещества. Температуру отсчитывают по высоте уровня в капиллярной трубке. Градусная шкала наносится либо непосредственно на внешнюю поверхность массивного толстостенного капилляра (палочный термометр), либо на специальную шкальную пластинку, располагаемую внутри внешней стеклянной оболочки термометра (термометр с вложенной шкалой), либо на прикладную шкальную пластинку, к которой прикрепляется капиллярная трубка.

     В качестве термометрического вещества чаще всего применяют химически чистую ртуть. Она не смачивает стекла и остается жидкой в широком интервале температур. Некоторым недостатком ртути является малое значение ее коэффициента расширения. Нижний предел измерения ограничивается температурой затвердевания ртути и равен минус 35°С. Верхний предел измерения ртутным термометром определяется допустимыми температурами для стекла: 600°С у образцовых термометров и 500°С у технических (ГОСТ 2823—59). При замене стекла кварцем верхний предел измерения несколько увеличивается.

     Так как температура кипения ртути  при нормальном атмосферном давлении равна 35б,58°С, то для термометров, предназначенных для измерения высоких температур, пространство над ртутью в капиллярной трубке заполняется инертным газом под давлением. Для термометров со шкалой до 500°С давление газа достигает 20 бар (20- 10⁵ н/м²).

     Основные  достоинства стеклянных жидкостных термометров — простота употребления и достаточно высокая точность измерения даже для термометров серийного изготовления.

     К недостаткам стеклянных термометров  можно отнести: плохую видимость  шкалы (если не применять специальной  увеличительной оптики) и невозможность автоматической записи показаний (если исключить применение замедленной киносъемки), передачи показаний на расстояние (если не пользоваться средствами телевидения) и ремонта (разбитый термометр восстановить нельзя!).

     Стеклянные  жидкостные термометры имеют весьма широкое применение и выпускаются следующих основных разновидностей.

     1. Технические (ГОСТ 2823—59) ртутные,  с вложенной шкалой, с погружаемой в измеряемую среду нижней частью, прямые (рис. 2, а) и угловые (рис. 2, б, в). Термометры изготовляются со шкалами от -35 до + 50°С и от 0°С до 50; 100; 150; . . .; 500°С. Цена наименьшего деления шкалы в пределах измерения до +50°С

     Рис  2. Основные разновидности   жидкостных   стеклянных  термометров:

     а — технический, ртутный, с вложенной шкалой, прямой; бив — угловые; е - лабораторный, ртутный, палочный; д — то же, с вложенной шкалой; е — спиртовой, для наружного воздуха, с прикладной шкальной пластинкой; ж — ртутный, электроконтактный, с неподвижными контактами. 

составляет 0,5 или 1°С и, постепенно возрастая,  достигает  5   или 10°С при верхних пределах измерений 450 и 500°С.

2. Лабораторные (ГОСТ 215—57) ртутные, палочные или с вложенной шкалой (рис. 2, г и д), погружаемые в измеряемую среду до отсчитываемой температурной отметки, прямые, небольшого наружного диаметра  (5—11 мм). Термометры по пределам измерения и цене деления шкалы подразделяются на четыре группы. Наиболее точные термометры с ценой деления шкалы 0,1°С имеют интервал   измерения   50°С,  например   от   +150  до   +200°С   (не   выше + 350°С). Верхний предел измерения для шкал, начинающихся  от 0°С, равен 500°С при цене деления шкалы 2°С.
3. Жидкостные   (не   ртутные)    термометры    (ГОСТ    9177—59) выпускаются в различном конструктивном оформлении, в том числе с прикладной  шкальной   пластинкой   (рис.  2, в), для  измерения температур от — 190 до + 100°С.
4. Повышенной   точности   и  образцовые   ртутные  термометры с   верхним   пределом   измерения   600°С    характеризуются   малой ценой деления шкалы — до 0,01°С.
5. Электроконтактные ртутные термометры с вложенной  шкалой, с впаянными в капиллярную трубку контактами для  разрывания (или замыкания) столбиком ртути электрической цепи. Изготовляются для измерения либо постоянной температуры контактирования  (рис. 2,ж), либо произвольно изменяемой в пределах от 0 до 300°С (ГОСТ 9871—61).
6. Специальные термометры, в том числе максимальные (медицинские и др.), минимальные, метеорологические и другого назначения.

 Биметаллические и дилатометрические термометры

     Действие  биметаллических и дилатометрических  термометров основано на термометрическом свойстве теплового расширения различных твердых тел.

     В биметаллических  термометрах в качестве чувствительного элемента используют пластинки или ленты, состоящие из двух слов разнородных металлов, характеризуемых различными коэффициентами теплового расширения. Чаще всего применяют медно-цинковый сплав — латунь (70% Cu + 30% Zn) и сплав железа с никелем —инвар (64% Fe + 36% Ni), с существенно различными коэффициентами теплового расширения: порядка 0,000019 град^-1 для латуни и 0,000001 град^-1 для инвара. При изменении температуры биметаллической пластинки она деформируется (рис.4) вследствие неодинакового расширения отдельных слоев пластинки. Если закрепить неподвижно один конец пластинки, то по перемещению другого конца, соединенного с указателем, можно судить об изменении температуры.

     Чувствительные  элементы биметаллических термометров  обычно выполняют в форме спиралей, соединяемых со стрелочным указателем. Такие термометры класса точности 2,0 или 2,5 применяют для измерения температуры атмосферного воздуха.

     Биметаллические элементы используют иногда для корректировки показаний измерительных приборов при изменении температуры окружающей среды (см. рис. 3). 

     Рис. 3. Схема чувствительного элемента биметаллического термометра:

     а — при   нормальной    температуре;    б — при    повышенной;  1 — латунь;  2 — инвар 
 

     Дилатометрические термометры как указатели температуры обычно не применяют. Их используют в качестве устройств информации (датчиков) в системах автоматического регулирования. На рис. 4 показано одно из таких устройств. Чувствительный

     Рис. 4. Схема дилатометрического устройства измерения температуры. 

     элемент выполнен из металлической оболочки 1  и кварцевого или фарфорового стержня 2. Рычаги 3 и  4  пропорционально увеличивают разность расширения оболочки и стержня и создают входной сигнал для гидравлического усилительного устройства 5 автоматического регулятора температуры в трубопроводе 6.

     Биметаллические и дилатометрические термометры на практике применяют сравнительно редко.

 Манометрические термометры

Действие  манометрических термометров основано на использовании зависимости давления  вещества при постоянном объеме от температуры. Замкнутая измерительная система манометрического термометра состоит (рис. 5)  из чувствительного  элемента,   воспринимающего температуру   измеряемой   среды, — металлического термобаллона   /, рабочего  элемента   манометра   2,   измеряющего давление  в  системе,  и  длинного соединительного    металлического капилляра 3. При изменении температуры 'измеряемой среды давление в системе изменяется, в результате     чего     чувствительный элемент перемещает стрелку или перо по шкале манометра, отградуированного в градусах   температуры. Манометрические термометры часто используют в системах  автоматического регулирования температуры, как бес шкальные устройства информации (датчики).

     Рис 5. Схема манометрического термометра 

     Манометрические термометры подразделяют на три основных разновидности:

1. жидкостные, в которых вся  измерительная система  (термобаллон,  манометр  и  соединительный   капилляр)   заполнена   жидкостью;
2. конденсационные   (по старым терминологиям:  паровые или парожидкостные), в которых термобаллон заполнен частично жидкостью с низкой температурой кипения и частично — ее насыщенными парами, а соединительный капилляр и манометр — насыщенными парами жидкости или, чаще, специальной передаточной жидкостью;
3. газовые,  в  которых вся  измерительная система   (термобаллон, манометр и капилляр) заполнена инертным газом.

     Достоинствами манометрических термометров являются: сравни тельная простота конструкции и применения, возможность дистанционного измерения температуры (передачи показаний на расстояние) и возможность автоматической записи показаний.

     К недостаткам манометрических термометров относятся: относительно невысокая точность измерения (класс точности 1,6; 2,5 или 4,0 и реже 1,0); небольшое расстояние дистанционной передачи показаний (не более 60 м) и трудность ремонта при разгерметизации измерительной системы., у

     В жидкостных манометрических термометрах в качестве термометрического вещества чаще всего используют ртуть для измерений в интервале температур от -25 до 600°С и реже органические жидкости: метиловый спирт или ксилол С₆Н₄(СНз)₂ для измерений в интервале температур от -80 до 320°С. Измерительная система заполняется термометрическим веществом под большим начальным давлением (при температуре заполнения). Это необходимо для того, чтобы снизить возможные дополнительные погрешности за счет гидростатического давления жидкости.

Общие сведения о термометрах  сопротивления

     Измерение температуры по электрическому сопротивлению  тел / / (обычно металлических) основывается на зависимости их сопротивления от температуры. У большинства чистых металлов с ростом температуры сопротивление увеличивается приблизительно на 0,4% -град^-1, а у металлов ферромагнитной группы (железо, никель, кобальт)—приблизительно на 0,65% -град"1. Металлические сплавы имеют более низкие температурные коэффициенты вплоть до значений, близких к нулю. Очень большие отрицательные температурные коэффициенты, когда сопротивление уменьшается с увеличением температуры, наблюдаются у некоторых полупроводниковых соединений.

     Электрические термометры сопротивления практически  позволяют измерять температуру с высокой степенью точности — до 0,02°С, а при измерениях небольшой разности температур — до 0,0005°С. Обязательное наличие источника тока, а также большие размеры чувствительного элемента у термометров сопротивления ограничивают их применение. Если у термопар температура определяется в точке соединения двух термоэлектродов, то у термометров сопротивления — на участке некоторой длины.

     Чаще  применяют металлические термометры сопротивления. Материалы для термометров сопротивления должны обладать следующими свойствами: а) высоким удельным сопротивлением; б) высоким температурным коэффициентом; в) химической инертностью; г) легкой технологической воспроизводимостью; д) дешевизной; е) постоянством физических свойств во времени.

     Металлические сплавы, обладающие обычно высоким удельным сопротивлением, но небольшим температурным коэффициентом, непригодны в качестве материала для термометров сопротивления. Неоднократные попытки широкого использования никеля и железа, обладающих большим температурным коэффициентом и высоким удельным сопротивлением, практически потерпели неудачу. Эти металлы в чистом виде получить трудно. Кроме того, они крайне слабо сопротивляются химическим воздействиям. По разным причинам отпала возможность использовать и многие другие металлы. Наиболее подходящими материалами для термометров сопротивления оказались платина (для измерений в интервале от —200 до 650°С) и медь (в интервале от —50 до +180°С).

     Платина — дорогостоящий материал, химически  инертен и легко получается в  чистом виде. Удельное сопротивление платины Q₀ = 0,0981 • 10^-6 Ом∙м, при 0°С— достаточно большое. При температуре t полное  сопротивление Rt (Ом)   термометра   определяется зависимостями:

     для

     t>0

     для

     t<0

     Аналогичные   зависимости   имеет   и   удельное    сопротивление

     Q_t, _ОМ/М.

     Для платины марки Пл-2 (ГОСТ 8588—64), применяемой  обычно в стандартных термометрах сопротивления, коэффициенты в (3) и (4) имеют значения: А =3,96847∙10^-3 град^-1; В = -5,847∙ 10^-7 град^-2; С= -4,22∙10^-12 град^-4

     Чистота платины характеризуется отношением сопротивления rioo при температуре 100°С к сопротивлению R₀ при 0°С. Для платины марки Пл-2 по (3) отношение Rm : R₀= 1,391. Особо чистая платина марки Пл-0 характеризуется отношением R ₁₀₀ :R₀ = 1,3925. Чем больше загрязнена платина, тем меньше это отношение.

     Медь  обладает малым удельным сопротивлением Q₀ =0,0155-10^-6 Ом-м. Медь получается электролитическим путем, поэтому даже обычные торговые сорта меди отличаются высокой степенью чистоты. Медные провода в различной изоляции выпускаются в широком ассортименте практически любых сечений. Однако при высоких температурах наблюдается интенсивное окисление даже изолированных медных проводников, что ограничивает верхний предел измерения. Температура +180°С является допустимым пределом применения лаковой изоляции проводов.

     В применяемом интервале температур от —50 до +180°С сопротивление меди практически линейно зависит от температуры. Отношение R₁₀₀: R₀= 1,426.

     Кроме чистых металлов, для термометров  сопротивления используются также некоторые полупроводниковые материалы.

     При измерениях сопротивлений ток, протекающий  по термометру, должен быть небольшим. Иначе выделение тепла может привести к заметной разности температур термометра и окружающей среды. Для технических термометров тепловая энергия, выделяемая в термометре, или мощность рассеивания должна быть не более 10 мет, а для полупроводниковых термометров (разных типов)— не более 0,3—2 мет.

 Платиновые термометры сопротивления

     Технические термометры (тип ТСП)   чаще всего выполняются в конструктивной форме, показанной на рис. 6.

     Неизолированную платиновую проволоку 1 диаметром 0,07 мм бифилярно наматывают на слюдяную пластинку 2 с зубчатыми краями. Бифилярная намотка необходима для того, чтобы исключить появление индуктивного сопротивления. Пластинка с намотанной на ней платиновой проволокой покрывается с двух сторон слюдяными пластинками таких же размеров. Все три пластинки скрепляются серебряной лентой 4 в пакет. К каждому концу платиновой проволоки приваривается подводящий провод 3 из серебра диаметром 1 мм. Подводящие провода изолируются фарфоровыми бусами 5 и присоединяются к зажимам на головке термометра. Такой чувствительный элемент помещают в тонкостенную алюминиевую трубку 6 (рис. 6), в нижней части которой расположен массивный вкладыш 7 с плоской прорезью для чувствительного элемента. Вкладыш улучшает условия теплопередачи от трубки к чувствительному элементу. Алюминиевую трубку вместе с подводящими проводами помещают во внешний защитный чехол 8, выполняемый обычно из стальной трубы.

     Внешний вид и размеры термометров  такие же, как и у термоэлектрических термометров. Длина чувствительного элемента во всех конструкциях обычно не меньше 90—100 мм.