Методы и средства измерения температуры

Можно разделить на две основные группы: контактные и бесконтактные.

Бесконтактные часто называют методами пирометрии – методами измерения температуры по их излучению. Все датчики температуры за исключением фотоэлектрического пирометра основаны на передаче темпа чувствительному элементу. При контактной термометрии передача тепла осуществляется теплопроводностью и конвекцией, а при бесконтактной – посредством теплового излучения. Излучение воспринимается телом с известными температурными характеристиками. По температуре этого тела в установившемся состоянии определяют измеряемую температуру. В зависимости от выходного сигнала контактного термометра различают механические и электрические термометры. Механические термометры широко применяют на практике. Почти все они основаны на тепловом расширении тел, точнее на различном расширении двух различных тел, которые могут быть твердыми, жидкими и газообразными. Механические термометры отличаются прочностью, надежностью, высокой точностью, низкой стоимостью и простотой обслуживания. Их используют в повседневной практике, а так же при проведении лабораторных и экспериментальных работ. Считывание показаний с термометра осуществляется на месте измерения, однако имеются термометры, у которых измерительный сигнал передается на ограниченное расстояние. Их выполняют в виде температурного реле, преобразователя температуры с пневматическим, гидравлическим, электрическим сигналами в виде механического регулятора температуры прямого действия.

Дилатометрические и биметаллические термометры.

Дилатометрические термометры основаны на удлинении металлического стержня при нагреве. Используются для измерения температур в интервале от 0 до 1000⁰С. Из-за большой длины чувствительного элемента эти термометры не могут быть использованы для измерения температур в точке кипения. Точность измерения от 1 до 3%. Значительно чаще применяют биметаллические термометры, которые также основаны на расширении двух разнородных материалов при увеличении температур. Могут изготавливаться весьма малых размеров. Биметаллические термометры надежны, дешевы, изготовляются в различных конструктивных исполнениях, простая конструкция. Чувствительный элемент биметаллических термометров изготовляется из пластины, состоящей из двух или более разнородных металлов, сваренных по всей плоскости соприкосновения. В отличие от дилатометрических биметаллические используются как показывающие приборы. Диапазон измерений от -50 до +600 ⁰С. Точность от 1 до 3%.

Жидкостные термометры.

В стеклянных жидкостных термометрах температуру определяют по относительному расширению жидкости, содержащейся в резервуаре. Основная часть термометрической жидкости находится в цилиндрическом или шарообразном резервуаре, который соединяется с длинным узким стеклянным капилляром. На верхнем конце капилляра имеется расширение. Если нижний предел измерения термометра выше 0⁰С, то на нижнем конце капилляра делается расширение. В качестве термометрической жидкости могут быть использованы практически все жидкости, при этом различают смачивающие все органические и не смачивающие (ртуть) жидкости. При понижении температуры возникают дополнительные погрешности. Для удобства отсчета органические жидкости подкрашиваются. Из-за малого коэффициента расширения ртути резервуар ртутных термометров больше, чем резервуары термометров, заполненных другими жидкостями. Хотя стеклянные жидкостные термометры, кроме термометров специального изготовления, не обладают высокой точностью, все равно они являются самыми распространенными приборами для измерения температуры.

В лабораторной практике используются термометры в самом разнообразном исполнении. В промышленности они имеют меньшее значение, так как по соображениям автоматизации и рационализации контроля осуществляется переход к передаче измеренных значений температур на расстояния. Диапазон измерения стеклянных термометров зависит от свойств термометрической жидкости. Например, этиловый спирт используют от -110 до +210⁰С. Ртуть в вакууме – от -30 до +150⁰С. Ртуть в кварцевом стекле от -30 до +1000⁰С. При температуре ниже 60⁰С применяют только смачивающие жидкости.

При низких температурах вязкость жидкости становится большой.

При высоких температурах необходимо предотвращать кипение жидкости. Поэтому при температурах свыше 150⁰С пространство в капилляре над ртутным столбиком заполняется сухим инертным газом. Для обеспечения точности стеклянных термометров необходимо, чтобы жидкость в капилляре не имела разрыва. Различают вида термометров: термометры полного погружения и термометры частичного погружения. Термометры полного погружения при градуировке и применении погружают в измеряемую среду до отсчитываемого деления, то есть погруженным должен быть весь резервуар и весь выступающий столбик. Часто в термометрах полного погружения не вся жидкость погружается в среду, поэтому в показания термометра вводят поправку на выступающий столбик. Термометры частичного погружения при градуировке и эксплуатации должны погружаться на определенную глубину, указанную на термометре.

Термометры для определения точки кипения

Имеют узко предельную шкалу. Абсолютное значение температуры соответствует точке кипения определенного вещества. Цена деления равна 0,01⁰С. Особым типом стеклянных жидкостных термометров является термометр Бекмана, с помощью которого измеряют не значение температуры, а только ее изменение очень точно. Применяют при колориметрических измерениях. Расстояние, соответствующее одному делению настолько велико, что можно определить изменение температуры на 0,001⁰С. Собственный диапазон измерения термометра составляет 5⁰. К концу измерительного капилляра подсоединен резервуар, в который можно перелить часть ртути. Таким образом, диапазон измерения может составлять от -10 до +100⁰С.

Экстремальные термометры

Применяют в случаях, когда необходимо зафиксировать максимальное или минимальное значение температуры, производя непрерывные наблюдения за температурой.

Ртутные электроконтактные термометры

Применяют для передачи на расстояния одного дискретного сигнала температуры для регулирования температуры и для сигнализации об описанных режимах. Ртутный столбик является одним контактом, проволока в капилляре – другим.

Жидкостные манометрические термометры

В качестве измеряемой величины, определяющей температуру, используется изменение объема термометрической жидкости. В манометрических термометрах к чувствительному элементу подключают механический прибор для показаний изменения объекта. Жидкостные манометрические термометры просты, прочны, надежны, не требуют обслуживания, позволяют передавать показания на ограниченные расстояния. К ним подключают не только показывающие приборы, но и преобразователи. В качестве термометрической жидкости используется ртуть под давлением от 10 до 15 МПа при комнатной температуре, или толуол при давлении от 0,5 до 5МПа. Диапазоны измерений соответственно от -30 до 600⁰С и от -90 до 260⁰С. Термометрическая жидкость должна полностью заполнять всю систему. Наличие газа внутри системы недопустимо. Точность таких термометров не очень высокая в зависимости от конструктивного исполнения от 0,5 до 2% от разности пределов измерения.

Газовые и конденсационные термометры

Для технических целей могут быть использованы простые газовые термометры, имеющие погрешность от 1 до 2 %. В качестве рабочего вещества используют инертный газ, находящийся под давлением при нормальной температуре. Изменение давления газа вследствие изменения температуры на манометре: наименьшая температура, которую можно измерить газовым термометром, лежит чуть выше критической точки используемого газа. Верхний предел измерения ограничивается плотностью материала. В целом диапазон измерения от -120 до +500⁰С. Газовые термометры мало инерционные. Конденсационные термометры – в ни чувствительный элемент частично заполнен жидкостью, а над конденсатом находится насыщенный пар этой же жидкости. Принцип действия термометров основан на том, что у каждой жидкости давление насыщенного пара однозначно определяется его температурой и не зависит от занимаемого объема. Для каждой термометрической жидкости предел измерения ограничен, например, этиловый спирт 85-245⁰С, толуол 115-320⁰С, ксилол 150-360⁰С. Большим преимуществом конденсационных термометров является независимость из показаний от температуры капилляра. В зависимости от конструктивного исполнения точность от 1 до 3%.

Особые типы механических термометров

Наряду с классическими приборами имеется ряд методов, основанных на физических или химических эффектах. Например, пироскопы. Их очень часто используют в керамике как простые и дешевые элементы, указывающие достижение определенной температуры. По состоянию пироскопа судят об обжигаемом материале. Когда вершина пироскопа начинает касаться подставки, значит, температура находится вблизи номинального значения пироскопа. В интервале между 600⁰С и 2000⁰С имеется около 60 различных пироскопов.

Дата добавления: 2014-01-04