Раздел 4. Измерение температур

Тема 4.1 Основные понятия

Температу́ра (от лат. Temperatura – надлежащее смешение, нормальное состояние) – физическая величина, характеризующая термодинамическую систему и количественно выражающая интуитивное понятие о различной степени нагретости тел. Температура является важным параметром, определяющим не только протекание технологического процесса, но и свойства вещества.

Температурные шкалы – способы деления на части интервалов температуры, измеряемых термометрами по изменению какого-либо удобного для измерений физического свойства объекта, при прочих равных условиях однозначно зависящего от температуры (объёма, давления, электрического сопротивления, ЭДС, интенсивности излучения, показателя преломления, скорости звука и др.) и называемого термометрическим свойством. Для построения шкалы температур приписывают её численные значения двум фиксированным точкам (реперным точкам температуры), например, точке плавления льда и точке кипения воды. Деля разность температур реперных точек (основной температурный интервал) на выбранное произвольным образом число частей, получают единицу измерения температуры, а задавая, опять-таки произвольно, функциональную связь между выбранным термометрическим свойством и температурой, получают возможность вычислять температуру по данной температурной шкале.

Ясно, что построенная таким способом эмпирическая температурная шкала является произвольной и условной. Поэтому можно создать любое число температурных шкал, различающихся выбранными термометрическими свойствами, принятыми функциональными зависимостями температуры от них (в простейшем случае связь между термометрическим свойством и температурой полагают линейной) и температурами реперных точек.

Для определения значения температуры какого-либо тела необходимо выбрать эталон температуры, то есть тело, которое при определённых условиях, равновесных и достаточно легко воспроизводимых, имело бы определённое значение температуры. Это значение температуры является реперной точкой соответствующей шкалы температур - упорядоченной последовательности значений температуры, позволяющей количественно определять температуру того или иного тела. Температурная шкала позволяет косвенным образом определять температуру тела путем прямого измерения какого-либо его физического параметра, зависящего от температуры.

Наиболее часто при получении шкалы температур используются свойства воды. Точки таяния льда и кипения воды при нормальном атмосферном давлении выбраны в качестве реперных точек в современных (но не обязательно изначальных) температурных шкалах, предложенных Андерсом Цельсием (1701- 1744), Рене Антуаном Фершо Реомюром (1683-1757), Даниэлем Габриэлем Фаренгейтом (1686-1736). Последний создал первые практически пригодные спиртовой и ртутный термометры, широко используемые до сих пор. Температурные шкалы Реомюра и Фаренгейта применяют в настоящее время в США, Великобритании и некоторых других странах.

Существуют два основных способа для измерения температур:

· контактные способы основаны на непосредственном контакте измерительного преобразователя температуры с исследуемым объектом, в результате чего добиваются состояния теплового равновесия преобразователя и объекта.

Этому способу присущи свои недостатки. Температурное поле объекта искажается при введении в него термоприемника. Температура преобразователя всегда отличается от истинной температуры объекта. Верхний предел измерения температуры ограничен свойствами материалов, из которых изготовлены температурные датчики. Кроме того, ряд задач измерения температуры в недоступных вращающихся с большой скоростью объектах не может быть решен контактным способом.

· Бесконтактные способы основаны на восприятии тепловой энергии, передаваемой через лучеиспускание и воспринимаемой на некотором расстоянии от исследуемого объема.

Этот способ менее чувствителен, чем контактный. Измерения температуры в большой степени зависят от воспроизведения условий градуировки при эксплуатации, а в противном случае появляются значительные погрешности. Устройство, служащее для измерения температуры путем преобразования ее значений в сигнал или показание, называется термометром (ГОСТ 13417-76).

 

Тема 4.2 Единицы и шкалы измерения температуры

Примерами температурных шкал служат шкалы Цельсия, Реомюра, Фаренгейта, Ранкина и Кельвина. Из того, что температура – это кинетическая энергия молекул, ясно, что наиболее естественно измерять её в энергетических единицах (то есть в системе СИ в джоулях). В технике и в быту используется температура по шкале Цельсия. Единица этой шкалы называется градусом Цельсия (⁰С). В физике пользуются термодинамической температурой, которая не только более удобна, но и имеет глубокий физический смысл, так как определяется средней кинетической энергией молекулы. Единица термодинамической температуры – градус кельвина (до 1968 г.), или сейчас просто кельвин (К), является одной из основных единиц в СИ. Температура T=0К называется абсолютным нулем температуры. Современная термометрия основана на шкале идеального газа, где в качестве термометрической величины используют давление. Шкала газового термометра абсолютна (T=0, p=0).

Абсолютная температура. Шкала температур Кельвина

Понятие абсолютной температуры было введено У. Томсоном (Кельвином), в связи с чем, шкалу абсолютной температуры называют шкалой Кельвина или термодинамической температурной шкалой. Единица абсолютной температуры — кельвин (К).

Абсолютная шкала температуры называется так, потому что мера основного состояния нижнего предела температуры – абсолютный ноль, то есть наиболее низкая возможная температура, при которой в принципе невозможно извлечь из вещества тепловую энергию.

Абсолютный ноль определён как 0 K, что равно – 273,15 °C.Шкала температур Кельвина – это шкала, в которой начало отсчёта ведётся от абсолютного нуля.

Используемые в быту температурные шкалы – как Цельсия, так и Фаренгейта (используемая, в основном, в США), – не являются абсолютными и поэтому неудобны при проведении экспериментов в условиях, когда температура опускается ниже точки замерзания воды, из-за чего температуру приходится выражать отрицательным числом. Для таких случаев были введены абсолютные шкалы температур.

Одна из них называется шкалой Ранкина, а другая – абсолютной термодинамической шкалой (шкалой Кельвина); температуры по ним измеряются, соответственно, в градусах Ранкина (Ra) и кельвинах (К). Обе шкалы начинаются при температуре абсолютного нуля. Различаются они тем, что цена одного деления по шкале Кельвина равна цене деления шкалы Цельсия, а цена деления шкалы Ранкина эквивалентна цене деления термометров со шкалой Фаренгейта. Температуре замерзания воды при стандартном атмосферном давлении соответствуют 273,15 K, 0 °C, 32 °F.

Масштаб шкалы Кельвина привязан к тройной точке воды (273,16 К), при этом от неё зависит постоянная Больцмана. Это создаёт проблемы с точностью интерпретации измерений высоких температур.

Шкала Цельсия

В технике, медицине, метеорологии и в быту используется шкала Цельсия, в которой температура тройной точки воды равна 0,008°C, и, следовательно, точка замерзания воды при давлении в 1 атм равна 0°C. В настоящее время шкалу Цельсия определяют через шкалу Кельвина: цена одного деления в шкале Цельсия равна цене деления шкалы Кельвина:

t(°С) = Т(К) - 273,15.

Таким образом, точка кипения воды, изначально выбранная Цельсием, как реперная точка, равная 100°C, утратила свое значение, и по современным оценкам температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении составляет около 99,975 °C. Шкала Цельсия практически очень удобна, поскольку вода очень распространена на нашей планете и на ней основана наша жизнь. Ноль Цельсия – особая точка для метеорологии, поскольку связана с замерзанием атмосферной воды. Шкала предложена Андерсом Цельсием в 1742 г.

Шкала Фаренгейта

В настоящее время, принято следующее определение шкалы Фаренгейта, предложенная в 1724 году: это температурная шкала, 1 градус которой (1°F) равен 1/180 разности температур кипения воды и таяния льда при атмосферном давлении, а точка таяния льда имеет температуру +32°F, точка кипения воды – 212°F. Температура по шкале Фаренгейта связана с температурой по шкале Цельсия (t°С) соотношением:

t°С = 5/9 (t°F - 32),

t°F = 9/5 t°С + 32.

Используется шкала Фаренгейта в Англии и, в особенности, в США.

Шкала Реомюра

Предложена в 1730 году Р. А. Реомюром, который описал изобретённый им спиртовой термометр. Единица – градус Реомюра (°R), 1°R равен 1/80 части температурного интервала между опорными точками – температурой таяния льда (0°R) и кипения воды (80°R):

1°R = 1,25°C.

В настоящее время шкала вышла из употребления, дольше всего она сохранялась во Франции, на родине автора.

Соотношение для пересчёта температуры из одной шкалы в другую:

n °C = 0,8n °R = (1,8n + 32) °F.

Непосредственный пересчёт для температурных шкал, различающихся основными температурами, без дополнительных экспериментальных данных невозможен. Температурные шкалы, различающиеся по термометрическому свойству или веществу, существенно различны. Возможно неограниченное число несовпадающих друг с другом эмпирических температурных шкал, так как все термометрические свойства связаны с температурой нелинейно и степень нелинейности различна для разных свойств, и вещественную температуру, измеренную по эмпирической температурной шкале, называют условной («ртутная», «платиновая» температура и т. д.), её единицу – условным градусом.

После введения Международной системы единиц (СИ) к применению рекомендованы две температурные шкалы. Первая шкала - термодинамическая, которая не зависит от свойств используемого вещества (рабочего тела) и вводится посредством цикла Карно. Отметим только, что единицей измерения температуры в этой температурной шкале является один кельвин (1 К), одна из семи основных единиц в системе СИ. Эта единица названа в честь английского физика Уильяма Томсона (лорда Кельвина) (1824 - 1907), который разрабатывал эту шкалу и сохранил величину единицы измерения температуры такой же, как и в температурной шкале Цельсия. Вторая рекомендованная температурная шкала - международная практическая. Эта шкала имеет 11 реперных точек - температуры фазовых переходов ряда чистых веществ, причём значения этих температурных точек постоянно уточняются. Единицей измерения температуры в международной практической шкале также является 1 К.

Принципиальный недостаток эмпирических температурной шкал – их зависимость от выбранного термометрического свойства – отсутствует у абсолютной (термодинамической) температурной шкалы.

Тема 4.3 Классификация приборов для измерения температур

Для измерения температуры используют различные первичные преобразователи, отличающиеся способом преобразования температуры в промежуточный сигнал. В промышленности наибольшее применение получили следующие первичные преобразователи: термометры расширения, манометрические термометры, термометры сопротивления, термопары (термоэлектрические пирометры) и пирометры излучения. Все они, за исключением пирометров излучения, в процессе эксплуатации находятся в контакте с измеряемой средой.

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

o термометры расширения: предназначены для изменения температур в диапазоне от -190 до +500 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);

o 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;

o электрические термометры сопротивления применяются для измерения температур в диапазоне от -200 до +650 градусов Цельсия. Принцип действия термометров сопротивления основан на свойстве проводников изменять электрическое сопротивление в зависимости от температуры;

o термоэлектрические преобразователи (термопары) используются при измерения температуры от 0 до +1800 градусов Цельсия. Принцип действия термопар основан на свойстве разнородных металлов и сплавов образовывать в спае термо электродвижущую силу, зависящую от температуры спая;

o пирометры излучения применяются для измерения температуры в диапазоне от +100 до 2500 градусов Цельсия. Пирометры излучения работают по принципу измерения излучаемой нагретыми телами энергии, изменяющейся в зависимости от температуры этих тел.

Тема 4.4 Термометры расширения

Действие термометров расширения основано на изменении объема жидкостей и твердых тел при изменении температуры.

Термометры расширения подразделяются на:

· жидкостные термометры,

· дилатометрические термометры,

· биметаллические термометры.

Принцип действия жидкостных термометров основан на свойствах теплового расширения термоэлектрического вещества при изменениях температуры. Определение температуры в данном случае происходит по величине видимого изменения объёма жидкости в капиллярной трубке. В качестве термометрической жидкости применяется ртуть, этиловый спирт, керосин, толуол, пентан. Диапазон измерения температур составляет от -100 до +600°С. К недостаткам жидкостных термометров относится их хрупкость, возможность загрязнения окружающей среды, непригодность для ремонта. Для защиты от механических повреждений для термометров разработаны защитные арматуры.

Принцип действия дилатометрических термометров основан на преобразовании изменений температуры в разность удлинений двух твердых тел, обусловленную различием их температурных коэффициентов линейного расширения. Диапазон измерения температур составляет от -30 до +1000°С.

Принцип действия биметаллических термометров основан на преобразовании изменений температуры в изгиб пластин, состоящих из двух металлов с разными температурными коэффициентами расширения. Диапазон измерения температур составляет от -100 до +600°С.

Биметаллические термометры наиболее распространены при измерении комнатной температуры. Основанная погрешность термометров составляет 1-3% от диапазона регулирования. Одним из главных недостатков биметаллических термометров является требование индивидуальной градуировки, которая происходит путем сравнения показаний с образцовыми термометрами, что приводит к невозможности оперативной замены чувствительных биметаллических пластин.

Из термометров расширения наиболее широко применяют жидкостные стеклянные термометры.

 

Тема 4.5 Манометрические термометры

Манометрический термометр – прибор для измерения температуры, действие которого основано на изменении давления какого-либо вещества (жидкости или газа) при изменении температуры. Шкала манометра градуируется непосредственно в единицах температуры.

Принцип действия основан на зависимости давления в замкнутой термосистеме от измеряемой температуры.

Устройство манометрического термометра показано на рисунке 4. Состоит из термобаллона 1, капиллярной трубки 2 и манометрической части. Термобаллон, капилляр и одновитковая трубчатая пружина 3 образуют единую замкнутую систему, заполненную рабочим веществом. В качестве рабочего вещества обычно используется газ или жидкость. При нагревании термобаллона давление рабочего вещества внутри замкнутой системы увеличивается. Увеличение давления вещества воспринимается одновитковой пружиной 3, представляющей собой трубку с плоскоовальным или эллиптическим сечением, согнутую по дуге окружности на 180-270°. Малая ось эллипса трубки расположена параллельно, а большая ось – перпендикулярно плоскости чертежа. Один конец трубчатой пружины жестко соединен с держателем, укрепленным в корпусе прибора.

 

Рисунок 4 – Устройство манометрического термометра

 

Свободный конец пружины закрыт пробкой и запаян. Свободный конец пружины поводком 5 связан с передаточным механизмом, состоящим из зубчатого сектора 4 и сцепленной с ним шестерней 6, на оси которой закреплена стрелка. Шкала градуируется в ⁰С. В качестве манометрической части могут быть: ОБМ, МТ, ЭКМ, МСС. Длина и диаметр термобаллона могут быть различны. Термобаллон обычно изготавливают из стали или латуни, капилляр - из медной или стальной трубки с внутренним диаметром от 0,15 до 0,5 мм. Длина капилляра может быть до 60 метров. Для защиты от механических повреждений капилляр помещают в защитную оболочку из оцинкованного стального провода. Эти приборы измеряют температуру в интервале от - 120⁰С до + 600⁰С.

Различают манометрические термометры:

1. Газовые – заполняются азотом, аргоном или гелием.

2. Жидкостные – заполнитель - полиметилсилоксановая жидкость, спирт, ртуть.

3. Конденсационные – термобаллон частично заполняются низкокипящей жидкостью (ацетон, фреон); остальное его пространство - пары этой жидкости.

Манометрические термометры бывают: показывающими, самопишущими, контактными. Основная их погрешность ±1,5%. Манометрические термометры широко применяются в химических производствах. Они просты по устройству, надежны в работе и при отсутствии электропривода диаграммной бумаги взрыво-пожаро-безопасны. Основной их недостаток – интерционность.

Наиболее распространены:

o ТПГ - термометр показывающий газовый;

o ТПЖ - термометр показывающий жидкостный;

o ТГС-711-ТГС-712 - термометр газовый самопишущий;

o ТКП- 160 – термометр конденсационный показывающий.

Газовые манометрические термометры

Принцип действия газовых манометрических термометров основан на использовании зависимости изменения давления инертного газа, заключенного в герметически замкнутой термосистеме, от температуры. Начальное давление в газовых термометрах зависит от пределов измерения температуры и составляет обычно от 0,98 до 4,9 МПа (10+50 кгс/см²).

Величина измерения давления:

,

где - термический коэффициент расширения газа;

- начальная температура, °С;

- конечная температура, °С;

- давление рабочего вещества при температуре;

-давление рабочего вещества при температуре.

В качестве рабочего вещества газовых манометрических термометров обычно используется азот. Термометры, заполненных азотом, обеспечивают измерение температур в диапазоне от 0 до 600°С.

Поскольку манометрическая система газовых термометров имеет относительно большое начальное давление, колебания атмосферного давления практически не сказываются на показаниях приборов данного типа. Некоторую погрешность в показания газовых термометров могут вносить изменения температуры окружающей среды.

Объем термобаллона термометра составляет приблизительно 90% общего объема герметично замкнутой термосистемы. При правильно выбранном соотношении объемов термобаллона, капилляра и трубчатой пружины термометры могут работать с достаточной точностью без температурной компенсации при длине капилляра до 40-60 м.

К характерным недостаткам газовых термометров относиться их сравнительно большая тепловая инерция, обусловленная низким коэффициентом теплообмена между стенками термобаллона и наполняющим его газом, и малой теплопроводностью газа, а так же большие размеры термобаллона, затрудняющие его установку на трубопроводы небольшого диаметра.

Жидкостные манометрические термометры

В жидкостных манометрических термометрах в качестве рабочего вещества обычно применяют силиконовые жидкости. С помощью приборов данного типа можно измерять значения температуры в диапазоне от -50 до +300°С. Длина капилляра 1,6-10 м, диаметр термобалло­на – 12 и длина погружения 80-400 мм.

Изменение давления в зависимости от температуры для жидкости находится в прямой зависимости и описывается уравнением:

,

где - изменение давление, МПа;

-коэффициент объемного расширения жидкости, 1/град;

-коэффициент сжимаемости жидкости, 1/МПа;

-изменение температуры, °С.

Из приведенного уравнения следует, что изменение давления жидкости является линейной функцией температуры. Поэтому жидкостные термометры (так же, как и газовые) имеют равномерную шкалу. Поскольку жидкость практически несжимаема, изменения атмосферного давления не оказывают влияния на показания прибора. Температурная погрешность у жидкостных термометров несколько больше, чем у газовых, поэтому длина капилля­ра у них не превышает 10 м.

Для защиты от коррозии капилляры манометрических термометров суммируют или покрывают полимерными пленками.

Конденсационные манометрические термометры

Помимо рассмотренных, применяются парожидкостные (конденсационные) манометрические термометры. Принцип работы конденсационных манометрических термометров основан на зависимости давления насыщенного пара от температуры. Термобаллон термометра данного типа заполняется на 2/3 своего объема низкокипящей жидкостью (ацетоном, фреоном, хлористым метилом и т.д.), с таким расчетом, чтобы входящий в него открытый конец капиллярной трубки был во всех случаях погружен в жидкость. При повышении температуры усиливается испарение жидкости и увеличивается упругость пара, а в связи с этим усиливается на уровне, соответствующем измеряемой температуре.

Конденсационные термометры применяются для измерения температур в диапазоне от -50 до +300°С и обладают более высокой чувствительностью по сравнению с газовыми и жидкостными манометрическими термометрами, т.к. давление насыщенного пара с изменением температуры очень быстро изменяется. Длина капилляра термометров 1,6 -16 м, диаметр термобаллона 16 и длина погружения 125 - 250 мм.

Конденсационные термометры имеют неравномерную (сжатую в начале) шкалу, что обусловлено нелинейной зависимостью давления насыщенного пара от температуры.

В зависимости от назначения манометрические термометры бывают самопишущими, показывающими, бесшкальными со встроенными преобразователями для дистанционной передачи измерений.

 

Тема 4.6 Термопары и термометры сопротивления

Термометры сопротивления

Действие термометров сопротивления основано на свойстве тел изменять электрическое сопротивление при изменении температуры. У металлических термометров сопротивление с возрастанием температуры увеличивается практически линейно, у полупроводниковых, наоборот, уменьшается.

Металлические термометры сопротивления изготовляют из тонкой медной или платиновой проволоки 1, помещенной в электроизоляционный корпус 2. Зависимость электрического сопротивления от температуры (для медных термометров от -50 до +180°С, для платиновых — от -200 до +750°С) весьма стабильна и воспроизводима. Это обеспечивает взаимозаменяемость термометров сопротивления.

Полупроводниковые термометры сопротивления (термисторы) для измерений в промышленности применяют редко, хотя их чувствительность гораздо выше, чем проволочных термометров сопротивления. Это объясняется тем, что градуировочные характеристики термисторов значительно отличаются друг от друга, что затрудняет их взаимозаменяемость.

Термометры сопротивления представляют собой первичные преобразователи с удобным для дистанционной передачи сигналом — электрическим сопротивлением. Для измерения такого сигнала обычно применяют автоматические уравновешенные мосты. При необходимости выходной сигнал термометра сопротивления может быть преобразован в унифицированный. Для этого в измерительную цепь включают промежуточный преобразователь. В этом случае измерительным будет прибор для измерения постоянного тока.

Термопары

Принцип действия основан на эффекте Зеебека или, иначе, термоэлектрическом эффекте. А именно на свойстве двух разнородных проводников создавать термоэлектродвижущую силу (термо-э.д.с.) при нагревании места их соединения – спая. Проводники в этом случае называются термоэлектродами, а все устройство — термопарой. Спай, имеющий температуру, называется рабочим, а спай, имеющий постоянную температуру – свободным. В промышленных условиях стабилизация температуры холодных спаев термопары затруднительна и обычно используют второй способ – автоматическое введение поправки на температуру холодных спаев. Для этого применяют: неуравновешенный мост, включаемый последовательно с термопарой.

Термопары являются первичными преобразователями температуры в э. д. с. – сигнал, удобный для дистанционной передачи. Поэтому в измерительную цепь за термопарой может быть сразу включен измерительный прибор. Для измерения э. д. с. термопары обычно применяют автоматические потенциометры. Для соединения термопары с прибором применяют специальные соединительные провода, подобные по термоэлектрическим свойствам термоэлектродам термопар. Такие провода называются компенсационными. С их помощью холодные спаи термопары переносятся к измерительному прибору или преобразователю.

Величина термо-э.д.с. термопары U зависит от материала термоэлектродов и разности температур горячего спая и холодных спаев. Поэтому при измерении температуры горячего спая температуру холодных спаев стабилизируют или; вводят поправку на ее изменение.

В промышленности применяют различные термопары, термоэлектроды которых изготовлены как из чистых металлов (платина), так и из сплавов хрома и никеля (хромель), меди и никеля (копель), алюминия и никеля (алюмель), платины и родия (платинородий), вольфрама и рения (вольфрамрений). Материалы термоэлектродов определяют предельное значение измеряемой температуры. Наиболее распространенные термоэлектродные пары образуют стандартные термопары: хромель-копель (предельная температура 600°С), хромель-алюмель (предельная температура 1000°С), платинородий-платина (предельная температура 1600°С) и вольфрамрений с 5% рения – вольфрамрений с 20% рения (предельная температура 2200°С). Промышленные термопары отличаются высокой стабильностью и воспроизводимостью градуировочных характеристик, что позволяет заменять их без какой-либо переналадки остальных элементов измерительной цепи.

Преимущества термопар:

· Высокая точность измерения значений температуры (вплоть до ±0,01°С).

· Большой температурный диапазон измерения: от −250°C до +2500°C.

· Простота.

· Дешевизна.

· Надёжность.

Недостатки:

· Для получения высокой точности измерения температуры (до ±0,01°С) требуется индивидуальная градуировка термопары.

· На показания влияет температура свободных концов, на которую необходимо вносить поправку. В современных конструкциях измерителей на основе термопар используется измерение температуры блока холодных спаев с помощью встроенного термистора или полупроводникового датчика и автоматическое введение поправки к измеренной ТЭДС.

· Эффект Пельтье (в момент снятия показаний необходимо исключить протекание тока через термопару, так как ток, протекающий через неё, охлаждает горячий спай и разогревает холодный).

· Зависимость ТЭДС от температуры существенно нелинейна. Это создает трудности при разработке вторичных преобразователей сигнала.

· Возникновение термоэлектрической неоднородности в результате резких перепадов температур, механических напряжений, коррозии и химических процессов в проводниках приводит к изменению градуировочной характеристики и погрешностям до 5 К.

· На большой длине термопарных и удлинительных проводов может возникать эффект «антенны» для существующих электромагнитных полей.

Термопары, как и термометры сопротивления, устанавливают в защитных чехлах, на которых указан тип термопары. Приборостроительная промышленность выпускает много модификаций защитных чехлов, рассчитанных на эксплуатацию термометров при различном давлении, различной агрессивности измеряемой среды, обладающих разной инерционностью и глубиной погружения. Для высокотемпературных термопар применяют защитные чехлы из теплостойких материалов: фарфора, оксида алюминия, карбида кремния и т. п.

 

Тема 4.7 Пирометры излучения

Термометры, действие которых основано на измерении теплового излучения, называют пирометрами.

Пирометры – бесконтактные измерители температуры – по-прежнему являются незаменимыми элементами цепей контроля и управления в целом ряде отраслей промышленности – металлургической, машиностроительной, электронной, химической, медико-биологической и т.д. Им нет альтернативы при измерении температуры движущихся (например, металл на прокатном стане), труднодоступных или находящихся в опасных зонах (подстанции высокого напряжения) объектов. Они позволяют контролировать температуру от 100 до 6000⁰С и выше. Одним из главных достоинств данных устройств 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 и получили название бесконтактный.

Принцип действия пирометра заключается в измерении силы теплового излучения, исходящего от объекта преимущественно в диапазонах видимого света и инфракрасного излучения.

По методу измерения излучения:

· Яркостные (квазимонохроматические). Позволяют визуально определять, как правило, без использования специальных устройств, температуру нагретого тела, путем сравнения его цвета с цветом эталонной нити.

· Радиационные (пирометры полного излучения). 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.

Пирометры могут быть:

· Односпектральными. Такие пирометры принимают излучения только в одном спектральном диапазоне. Односпектральные пирометры в свою очередь подразделяются на радиационные (мощность теплового излучения переводится в температуру) и яркостные (в диапазоне красного света измеряются яркости эталонного объекта и объекта измерения). В эту подгруппу входят пирометры полного излучения.

· Мультиспектральными. Также их называют цветовыми или пирометрами спектрального отношения.

По температурному диапазону:

· Низкотемпературные. Обладают способностью показывать температуры объектов, обладающих даже отрицательными значениями этого параметра.

· Высокотемпературны е. Оценивают лишь температуру сильно нагретых тел, когда определение «на глаз» не представляется возможным. Обычно имеют сильное смещение в пользу «верхнего» предела измерения.

По исполнению:

· Переносные. Удобны в эксплуатации в условиях, когда необходима высокая точность измерений, в совокупности с хорошими подвижными свойствами, например для оценки температуры труднодоступных участков трубопроводов. Обычно 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.

Квазимонохроматические пирометры

Одним из наиболее распространенных квазимонохроматических пирометров является пирометр с исчезающей нитью.

Принцип действия оптического пирометра с исчезающей нитью основан на сравнении монохроматической яркости излучения накаленного тела с монохроматической яркостью излучения нити специальной пирометрической лампы накаливания. Принципиальная схема оптического пирометра типа ОППИР-017 приведена на рисунке 5.

Рисунок 5 – Принципиальная схема оптического пирометра типа ОППИР-017

Оптическая система пирометра представляет собой телескоп с объективом (1) и окуляром (4). Перед окуляром помещен красный светофильтр (3). Спектральная характеристика пропускания светофильтра подбирается с учетом спектральной чувствительности глаза так, чтобы при рассматривании объекта через светофильтр наибольшая видимая яркость соответствовала бы длине волны около 0,65 мкм. В фокусе объектива находится вольфрамовая нить пирометрической лампочки (5). Между объективом телескопа и пирометрической лампой помещено поглощающее стекло (7), а также фильтры, которое предназначено для ослабления яркости исследуемого объекта при измерении температур выше 1400 2 с узкой полоской пропускания. Нить лампочки питается от аккумулятора; ее накал можно регулировать вручную реостатом (6). В поле зрения телескопа наблюдатель видит участок излучающей поверхности накаленного тела (объекта измерения) и на этом фоне – нить лампочки (рисунок 5б). Если яркости нити и накаленного тела неодинаковы, нить будет видна более темной или более светлой, чем фон. Регулируя накал нити реостатом, наблюдатель добивается равенства яркостей, при этом изображение нити сольется с фоном и станет неразличимо (нить "исчезнет"). В этот момент яркостная температура нити равна яркостной температуре объекта измерения. Глаз весьма чувствителен к различению яркостей и момент "исчезновения" нити улавливается с достаточной уверенностью. Показывающий прибор (8), включенный в цепь нити накаливания, градуируется по образцовому пирометру или по температурным лампам, в °С яркостной температуры.

Допускаемая погрешность таких приборов достигает 1,5 % от верхнего предела измерения.