Приборы для измерения температуры (обзор)

Приборы для измерения температуры классифицируются в зависимости от того, какой метод измерения положен в основу их конструкции:
термометры, применяются для измерения температуры контактным методом.
пирометры, применяются для измерения температуры бесконтактным методом.

I. Термометры для измерения температуры контактным методом:

1. термометры расширения, использующие принцип теплового расширения жидкости (жидкостные) или твердого тела (дилатометрические и биметаллические);
2. манометрические термометры, использующие зависимость между температурой и давлением газа или паров жидкости в замкнутой термосистеме;
3. термопреобразователи (термометры) сопротивления, использующие изменения электрического сопротивления металлов от температуры;
4. термоэлектрические термометры (термопары), использующие зависимость между термо-ЭДС, развиваемой термопарой (горячим спаем) из двух различных проводников, и разностью температур спая и свободных концов термопары.

II. Пирометры для измерения температуры бесконтактным методом:

1. яркостные пирометры, измеряющие температуру по яркости наколенного тела, то есть оптические и фотоэлектрические пирометры (в них использовано свойство фотоэлемента образовывать под действием ярко наколенного тела фотоэлектрический ток, значение которого пропорционально интенсивности падающего на фотоэлемент светового потока);
2. радиационные пирометры служат для измерения мощности полного излучения наколенных тел, то есть суммарного теплового и светового излучения, их называют пирометрами полного излучения.

Пирометры излучения применяют для измерения температуры твердых и расплавленных тел в пределах от 400°С до 4000°С.

Установка технического жидкостного термометра (1-защитная гильза, 2-заполнитель,3-термометр)

Термометры технические жидкостные состоят из резервуара с термометрической жидкостью и соединенной с ним капиллярной трубкой. За капилляром располагается шкала в °C. Корпус прибора — стеклянный. При изменении температуры объем жидкости внутри прибора изменяется, вследствие чего столбик жидкости в капилляре поднимается или опускается пропорционально изменению температуры.

В качестве термометрической жидкости в термометрах расширения применяется:
• ртуть при изменении температуры от -30°C до +600°C;
• спирт при изменении температуры от -80°C до +80°C;
• толуол при изменении температуры от -80°C до +100°C;
• керосин при изменении температуры от 0°C до +300°C или другие органические жидкости.

Для удобства установки термометры изготавливаются прямые и угловые (под углом 90°, 120° и 135°). Для установки стеклянных термометров и предохранения их от повреждения применяются металлические оправы. В металлической оправе инертность термометра увеличивается. Для уменьшения времени запаздывания зазор между защитной оправой и хвостовиком заполняется техническим маслом (при температуре измерения до 150°С), медными опилками (при температуре свыше 150°С до 650°С).

Принцип работы дилатометрических термометров основан на преобразовании измеряемой температуры в разность абсолютных значений удлинений двух стержней, изготовленных из материалов с различными термическими коэффициентами линейного расширения. Они применяются в устройствах сигнализации и регулирования температуры.

Работа биметаллических термометров основана на деформации биметаллической ленты при изменении температуры. Биметаллическая лента согнута в виде плоской или винтовой спирали, один конец которой укреплен неподвижно, а другой — на оси стрелки. Угол поворота стрелки равен углу закручивания спирали, который пропорционален изменению температуры. Класс точности приборов 1 %, 1,5 %.

Приборы для измерения температуры: Манометрические термометры.

Схема манометрического термометра (1-термобаллон, 2-капилляр, 3-многовитковая трубчатая пружина)

Манометрические термометры по заполнению подразделяют на газовые, жидкостные и парожидкостные (конденсационные). Манометрические термометры состоят из термобаллона, капиллярной трубки, трубчатой пружины с тягой, зубчатого сектора и стрелки (см. рис.). Вся система заполняется рабочим веществом.

Принцип действия манометрических термометров основан на изменении объема или давления рабочего вещества в замкнутом объеме трубчатой пружины, капилляра и термобаллона, при изменении температуры среды, в которую помещен термобаллон. Если температура увеличивается, давление паров жидкости (газа) увеличивается, свободный конец пружины перемещается и через передаточный механизм поворачивает стрелку.

В газовых манометрических термометрах вся система заполнена инертным газом (азотом, гелием).
Шкала приборов равномерна. К недостаткам относятся сравнительно большая инерционность и большие размеры термобаллона. Применяются для измерения температур в диапазоне от -200°С до +600°С.

В жидкостных манометрических термометрах в качестве рабочей жидкости применяются метиловый спирт, ксилол, толуол, ртуть и т.д. Жидкостные манометрические термометры имеют равномерную шкалу. Применяются для измерения температур в диапазоне от -150°С до +300°С.

В конденсационных манометрических термометрах термобаллон частично заполнен термометрической жидкостью с низкой температурой кипения (ацетон, метилхлорид, этиловый эфир), а остальная часть системы заполнена насыщенными парами этой жидкости. Давление насыщенного пара изменяется в зависимости от температуры и передается на трубчатую пружины по капилляру посредством сконденсировавшейся жидкости. У конденсационных манометрических термометрах шкала неравномерная. Парожидкостные манометрические термометры применяются для измерения температур в диапазоне от -50°С до +300°С.

Манометрические термометры применяются как показывающие (типа ТПГ), так и самопишущие (типа ТГС), в которых привод диаграммы осуществляется от синхронного микродвигателя или от часового механизма. Широко используются сигнализирующие манометрические термометры (типа ТСМ) и электроконтактные манометрические термометры (типа ЭКТ). ЭКТ предназначены для замыкания и размыкания цепи электрического тока с целью поддержания заданной температуры и сигнализации о ее достижении. Класс точности большинства приборов — 1,5 % и 2,5 %.

Приборы для измерения температуры: Термопреобразователи сопротивления.

Платиновый унифицированный термометр сопротивления (1-платиновая спираль, 2-защитная арматура, 3-головка)

Принцип работы термопреобразователей сопротивления основан на свойстве применяемых в них проводниковых материалов изменять свое электрическое сопротивление при изменении температуры. Зная зависимость между температурой и сопротивлением, можно по сопротивлению вещества определить его температуру. Комплект термометра сопротивления состоит из первичного прибора (проводника, являющегося тепловоспринимающим элементом) и вторичного прибора, определяющего изменения электрического сопротивления и отградуированного в градусах Цельсия (°С) (рис.10). Тепловоспринимающие элементы изготавливаются из платиновой проволоки (типа ТСП), медной электролитной проволоки (типа ТСМ) и никелевой проволоки (типа ТСН).

Платиновые термопреобразователи сопротивления применяют для измерения температуры от -220°С до +850°С (1100°С — для единичного производства). Чувствительный элемент термопреобразователя изготовлен из платиновой проволоки диаметром 0,05 — 0,08 мм, намотанной на слюдяную пластинку (каркас) с зубчатой нарезкой, и помещен в защитную арматуру (чехол). К концам платиновой обмотки припаиваются два серебряных вывода, находящиеся на выходной головке термометра. Выводы изолируются фарфоровыми изоляторами.
Чехол помещается в наружную защитную оболочку из стали с подвижным штуцером для крепления термометра в месте измерения.

В качестве вторичных приборов применяются уравновешенные мосты и лагометры. Питание приборов осуществляется от постороннего источника тока.

Измерительные приборы позволяют подключать к ним несколько термометров сопротивления.
Медные термопреобразователи сопротивления применяют для измерения температуры от -200°С до +200°С (-50°С до +120°С).
Никелевые термопреобразователи сопротивления применяют для измерения температуры от -60°С до +180°С.

Медный и никелевый термометры устроены аналогично платиновому, выводные концы выполнены из медной проволоки.
Стальная наружная оболочка обеспечивает работу термометров сопротивления в среде, находящейся под давлением до 30 кг/см2. Основной недостаток термометров сопротивления — большая инерционность (до 10 мин).

Приборы для измерения температуры: Термоэлектрические термометры (термопары).

Принцип действия термоэлектрических термометров основан на свойстве металлов и сплавов создавать термоэлектродвижущую силу (термо-ЭДС) при нагревании спая двух разнородных проводников, образующих т.н. термопару или первичный прибор термометра.
Термоэлектрический термометр состоит из двух спаянных и изолированных по длине термоэлектродов, защитного чехла и головки с зажимами для подключения соединительных проводов. В качестве вторичного прибора, измеряющего развиваемую термопарой термо-ЭДС, служит электроизмерительный прибор. В качестве измерителя ТЭДС применяются показывающие и самопишущие магнитоэлектрические милливольтметры и потенциометры. Зная зависимость ТЭДС от температуры спая, можно шкалу электрического прибора проградуировать в градусах Цельсия (°С) и фиксировать температуру вещества.

ТЭДС зависит от материала проводников, составляющих термоэлектрический термометр, а также от температуры холодного спая, называемого свободным концом. Свободный конец термоэлектрического термометра должен находиться в зоне постоянной температуры, имеющей определенное (известное) значение. Фактически свободный конец термоэлектрического термометра, как правило, находится в зоне переменной температуры, поэтому в качестве соединительных применяют компенсационные провода, позволяющие перенести свободный конец в зону с постоянной температурой, а также для подсоединения свободного конца термопары к зажимам измерительных приборов.

Применяются следующие термопары:

• ТПП — платинородий (10 % родия)-платина для измерения температуры до 1600°С (до 1300°С при длительном применении);
• ТПР — платинородий (30 % родия)-платинородий(6 % родия) для измерения температуры до 1800°С (от 300°С до 1600°С при длительном применении);
• ТВР — вольфрамрений (5 % рения)-вольфрамрений (20 % рения) для измерения температуры до 2500°С (до 2200°С при длительном применении);
• ТХА — хромель-алюмель для измерения температуры до 1300°С (от -200°С до 1000°С при длительном применении);
• ТХК — хромель-копель для измерения температуры до 800°С (от -200°С до 600°С при длительном применении).

В настоящее время широко применяется автоматическое ведение поправки на температуру свободных концов термопары при помощи специальных компенсирующих устройств, что не требует обеспечения постоянства этой температуры. Эти устройства располагаются отдельно или встраиваются во вторичный прибор.

Термоэлектрические термометры (термопары) изготавливают различных классов точности. Они бывают как показывающими, так и самопишущими.

Общим недостатком термопар является окисляемость их термоэлектродов, особенно при высоких температурах.

К преимуществам этих приборов для измерения температуры относят:

• широкий предел измерений,
• высокая точность измерений,
• большая чувствительность,
• отсутствие постороннего источника тока,
• осуществление дистанционной передачи показаний,
• нечувствительность к вибрации.