Приборы для измерения температуры

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.

Контактные методы измерения температуры

Термометры расширения

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. 2. Схема жидкост­ного стеклян­ного тер­мометра

Жидкостной термометр состоит из: стеклянного баллона 1, ка­пиллярной трубки 3 и запасного резервуара 4 (рис. 2). 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. 3-2, а) и угловые (рис. 3-2, 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  3.-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. 3-2, 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.  3-2, 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. 3-2,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.

 Погрешности и поверка жидкостных стеклянных термометров

Допустимые погрешности измерения технических термометров не должны превышать одного деления (цены деления) шкалы. Так, для пределов измерения от 0 до 100°С при цене деления в 1 или 2°С допустимая погрешность составляет ±1 или ±2°С

Для остальных разновидностей термометров допустимые погреш­ности при одной и той же цене деления устанавливаются различ­ными для разных температурных интервалов. Так, например, у ла­бораторных термометров с ценой деления шкалы ОГС и пределами измерения от 0 до +50°С допустимая погрешность составляет ±0,2°С, а для пределов измерения от +250 до +300ЪС возрастает до ±0,8°С.

Допустимая погрешность показаний у образцовых термометров много ниже. Так, например, для температурного интервала от 0 до + 60°С, при цене деления шкалы О.ОГС допустимая погрешность не должна превышать ±0,03°С. Для других методов измерения температуры такие ничтожные погрешности практически не дости­жимы.

Поверка показаний жидкостных термометров производится в термостатах* путем сличения с образцовыми приборами более высокого класса точности.

Поверка положения нулевой точки в ледяном термометре обя­зательна для всех термометров, на шкале которых она нанесена. Нулевую точку поверяют обычно дважды: до начала поверки шкалы и сразу после поверки ее максимальной отметки. Положения нулевой точки в обоих случаях могут не совпадать за счет явления термического последействия (когда стекло не сразу принимает те размеры, которые соответствуют нулевой температуре). Совре­менные термометры в процессе изготовления подвергаются искус­ственному старению и отжигу, что снижает температурную депрес­сию за счет термического последействия до значения, не превышаю­щего обычно максимально допустимую погрешность термометра.

Поверка в точке кипения воды производится в паровом термо­стате • (водяном кипятильнике). Температуру определяют по величине атмосферного давления с поправкой на избыточное дав­ление в кипятильнике.

Для поверки отрицательных температур до минус 80°С исполь­зуют криостат, заполняемый спиртом или другой незамерзающей жидкостью. Температуры в интервале от +1 до +95°С поверяют в водяном, в интервале от +95 до 300°С — в масляном и в интер­вале от 300 до 600°С — в солевом термостате.

У лабораторных и других термометров, градуируемых и пред­назначенных для измерения при погружении в измеряемую среду до отсчитываемого деления, могут возникать систематические погрешности за счет выступающего столбика термометра. Если капиллярная трубка будет погружена в измеряемую среду не пол­ностью (рис. 3), то температура выступающей части капиллярной трубки будет отличаться от температуры измеряемой среды, в ре­зультате возникнет погрешность измерения. Поправку в градусах на выступающий столбик в показания термометра можно внести по уравнению

 Рис. 3. Возможные случаи погружения термометра  в из­меряемую среду:

а — полное;   б — с   выступающим   столбиком

(1)

где  — коэффициент видимого  объемного  теплового   расширения термометрической жидкости в стекле,   град-1 ; t — действительная температура измеряемой среды, °С; tв.с — температура выступающего   столбика,   измеренная   с   по­мощью вспомогательного термометра, °С; n — число градусов в выступающем столбике. У термометров, предназначенных для работы с неполным погру­жением,  может возникнуть  аналогичная систематическая  погрешность, если температура окружающей среды, а, следовательно, и выступающего столбика будет отличаться от его температуры при градуировке. Поправка, град, в этом случае

(2)

где t' — температура выступающего столбика при градуировке, °С (в первом приближении допустимо считать t'=+20°C); t" — средняя температура выступающего столбика, °С.

Поправки по (1) и (2) могут иметь большие значения у тер­мометров с органическими термометрическими жидкостями, для которых коэффициент у примерно на порядок выше, чем у ртутных термометров.

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. 10-9).

Рис. 4. 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. 5 показано одно из таких устройств. Чувствительный

Рис. 3-5. 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. 3-6)  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 6. 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.

В конденсационных манометрических термометрах наибольшее распространение получили термометрические вещества, приведен­ные в табл. 3-2.

Таблица   3

 Термометрические вещества для конденсационных манометрических термометров

Ртуть используют в устройствах информации (датчиках) неко­торых систем автоматического регулирования.

Верхний предел применения для органических жидкостей обычно выбирают близким к давлению порядка 20 бар.

В качестве передаточной жидкости, заполняющей капилляр и манометр конденсационных термометров, чаще всего применяют глицерин (пропантриоль) в смеси со спиртом или водой.

У конденсационных манометрических термометров возможно появление дополнительных погрешностей: 1) гидростатической (из-за различной высоты расположения термобаллона и мано­метра) и 2) атмосферной из-за колебания атмосферного давления (особенно для начала шкалы). Погрешность за счет температуры окружающей среды теоретически отсутствует, так как изменение объема передаточной жидкости приводит лишь к изменению соот­ношения между жидкой и паровой фазой в термобаллоне, не меняя в нем давления, зависящего только от температуры. Однако прак­тически небольшая погрешность при изменении температуры окру­жающей среды все же наблюдается (за счет манометра) и нормируется (ГОСТ 8624—64) значением до 0,25% на каждые 10°С отклонения температуры от +20°С.

Шкалы конденсационных термометров получаются существенно неравномерными из-за нелинейного соотношения между темпера­турой кипения и соответствующим давлением (рис. 3-8). Рабочая часть шкалы располагается в верхней ее половине. Длина соедини­тельного капилляра достигает 60 м-

Рис. 6.   Зависимости   температу­ры кипения от  давления: 1 — хлор-метила;     2 — хлорэтила;     3 — ацетона   и  4 — бензола

В газовых манометрических термометрах в качестве термомет­рического вещества обычно используют азот. Область применения газовых термометров по ГОСТ 8624—64 лежит в интервале от — 160 до +600°С.

Дополнительные погрешности могут появиться при изменении температуры окружающей среды (коэффициент теплового расшире­ния газов много больше, чем у жидкостей, и равен приблизительно 0,00365 град-1). Для уменьшения их приходится увеличивать раз­меры термобаллона и уменьшать сечение капилляра. Чем больше длина капилляра, тем больше по­лучаются размеры термобалло­на. При длине капилляра 60 м термобаллоны газовых термомет­ров, серийно изготовляемых, име­ют наружный диаметр 22 мм, а рабочую длину 435 мм. Такие размеры термобаллона могут создать трудности при установке их в объекты измерения. По ГОСТ 8624—64 допустимая дополнительная приведенная по­грешность газовых термомет­ров при отклонении темпе­ратуры окружающей среды на 10°С не должна превышать 0,5%.

Манометрические термометры не имеют большого применения на тепловых электрических станциях. В промышленной теплоэнер­гетике они встречаются чаще, особенно в случаях, когда по усло­виям взрыво или пожаробезопасности нельзя использовать элек­трические методы дистанционного измерения температуры.

Поверка показаний манометрических термометров производится теми же методами и средствами, что и стеклянных жидкостных.

Термометры сопротивления

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.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5