Приборы и методы измерения температуры. Средства измерения температуры Существующих методов и средств измерения температуры

Классификация приборов измерения температуры

Классификация приборов

Для изменения температур применяются контактные и бесконтактные методы измерения.

Для реализации контактных методов измерения применяются:

термометры расширения твёрдых и жидких тел (стеклянные, жидкостные, манометрические, биметаллические и дилатометрические);

термопреобразователи сопротивления (проводниковые и полупроводниковые);

термоэлектрические преобразователи.

Бесконтактные измерения температуры осуществляются пирометрами (квазимонохроматическими, спектрального отношения и полного излучения.)

Преимущества и недостатки

Контактные методы измерения более просты и точны, чем бесконтактные. Но для измерения температуры необходим непосредственный контакт с измеряемой средой и телом. И в результате этого может возникать, с одной стороны, искажение температуры среды в месте измерения и с другой – несоответствие температуры чувствительного элемента и измеряемой среды.

Бесконтактные методы измерения не оказывают никакого влияния на температуру среды или тело. Но зато они сложнее, и их методические погрешности существенно больше, чем у контактных методов.

Диапазон измерений

Серийно выпускаемые термометры и термопреобразователи охватывают диапазон температур от -260 до 2200°С и кратковременно до 2500°С.

Бесконтактные средства измерения температуры серийно выпускаются на диапазон температур от 20 до 4000°С.

Существуют бесконтактные средства измерения, позволяющие измерять температуру превышающую 4000°С.

Описание приборов измерения

Термометры стеклянные

Принцип действия основан на зависимости объемного расширения жидкости от температуры. Отличаются высокой точностью, простотой устройства и дешевизной. Однако стеклянные термометры хрупки, как правило, неремонтнопригодны, не могут передавать показания на расстояние.

Основными элементами конструкции являются резервуар с припаянным к нему капилляром, заполненные частично термометрической жидкостью, и шкала.

Конструктивно различаются палочные термометры со шкалой, вложенной внутрь стеклянной оболочки. У палочных термометров шкала наносится непосредственно на поверхность толстостенного капилляра. У термометров с вложенной шкалой капилляр и шкальная пластина с нанесенной шкалой заключены в защитную оболочку, припаянную к резервуару.

Стеклянные термометры расширения выпускаются для измерения температур от -100 до 600°С.

Выпускаются также ртутные электроконтактные термометры, предназначенные для сигнализации или поддержания заданной температуры. Термометры выпускаются с заданным постоянным контактом (ТЗК) или с подвижным контактом (ТПК).

Точность показаний термометров зависит от правильности их установки. Важнейшим требованием, предъявляемым при установке, является обеспечение наиболее благоприятных условий притока тепла от измеряемой среды к термобаллону и наименьший отвод тепла от остальной части термометра во внешнюю среду. Большей частью термометры устанавливают в защитную оправу.

Принята международная температурная шкала, в которой точке кипения воды (при нормальных условиях) приписано значение 100°, а точке таяния льда 0°. Температуры, измеренные по международной шкале, обозначаются через t, а численные значения сопропождаются знаком °С (полное наименование этого индекса «градус стоградусной шкалы»). В применявшихся ранее Шкалах Цельсия (°Ц), Реомюра (°Р) и Фаренгейта (°Ф) за основу принимались те же точки кипения воды и таяния льда, но приписывались им другие численные значения.

В прошлом специфические температурные измерения имели довольно широкое распространение. Например, в паровых котлах (без пароперегревателя) температуру насыщенного пара определяли, измеряя его давление, температуру поверхности нагретого металла определяли по цвету побежалости, по цвету свечения (визуально, па глаз). Однако в большинстве случаев физические свойства измеряемой системы зависят не только от температуры, но и от других ее свойств. Поэтому для определения температуры прибегают к введению в схему измерения так называемого измеряющего тела, физические свойства которого и их изменения в зависимости от температуры хорошо изучены.

Определение температуры какой-либо системы (среды) основывается на допущении, что между этой системой и измеряющим телом существует полное термодинамическое равновесие, т. е. отсутствует переход тепла. Обычно полностью достичь такого равновесия не удается из-за непостоянства температуры измеряемой среды, отвода тепла от измеряющего тела (например, по оболочке термопары), теплообмена излучением и т. д.

Методы и приборы для измерения температур классифицируются в зависимости от того, какие физические свойства измеряющего тела используются для определения температуры. Все методы разделяются па две основные группы, каждая из которых имеет свое подразделение.

• Группа I. Контактные методы (методы непосредственного соприкосновения) - измеряющее тело приводится в непосредственное соприкосновение с измеряемой системой (средой, телом).
• Класс А. Методы, основанные на тепловом расширении измеряющих тел: а) твердых тел; б) жидкостей; в) газов.
• Класс Б. Термометры электрического сопротивления1.
• Класс В. Термоэлектрические пирометры.
• Класс Г. Методы, основанные на изменении состояния измеряющего тела: а) точки плавления; б) точки кипения; в) упругости паров; г) изменения цвета.
• Класс Д. Калориметрические пирометры.
• Группа II. Неконтактные методы -измеряющее тело обычно Представляет вид радиометра 2, расположенного на расстоянии от И меряемой системы.
• Класс А. Измерение лучеиспускания абсолютно черного тела: а) пирометры полного излучения (радиационные); б) пирометры частичного излучения (оптические).

ЖИДКОСТНЫЕ СТЕКЛЯННЫЕ ТЕРМОМЕТРЫ

Термометры этого типа - самые первые приборы для измерения температур. На их базе создавались первые температурные шкалы Ломоносова, Цельсия, Реомюра и Фаренгейта, ими впервые оборудовались тепловые агрегаты. В настоящее время имеется значительное число более совершенных приборов для измерения температур.

Однако, несмотря па это, жидкостные стеклянные термометры имеют большое распространение в лабораторной и промышленной технике.

Типы термометров

Существуют две основные конструкции ЖИДКОСТНЫХ стеклянных термометров: палочные и со вложенной шкальной пластиной.

Палочный термометр имеет толстостенный капилляр с наружным диаметром 5,5-8 мм. Шкала (отметки и цифры) наносятся на внешней поверхности капилляра. В термометре второго типа шкала нанесена на специальной пластинке из молочного стекла, помещенной сзади тонкостенного капилляра, соединенного со ртутным резервуаром. Капилляр и шкальная пластинка заключены в наружную стеклянную оболочку, припаянную к резервуару.

Жидкостные стеклянные термометры по назначению разделяются на образцовые и рабочие. Здесь будут рассмотрены только рабочие термометры, нашедшие широкое применение и технике. Они разделяются на лабораторные, технические и ряд других.

В результаты измерений технических термометров не вносятся никакие поправки; погрешности их не должны выходить из допусков, установленных ГОСТами.

Лабораторные термометры изготовляются как со вложенной шкальной пластинкой, так и палочные.

Технические ртутные термометры общепромышленного применения типа выпускаются только со вложенной пластинкой.

У термометров с постоянными впаянными контактами в капилляр впаяны нулевой контакт, находящийся ниже начала шкалы, и один, два или три рабочих контакта, впаянные в местах, соответствующих значениям температуры, при которых должны подаваться сигналы.

Преимуществом данной конструкции контактного термометра является его простота. Однако впаянные контакты не позволяют и менять на конкретном термометре сигнализируемую (регулируемую) температуру, что часто бывает необходимо в производственных зданииях.

Погрешности жидкостно-стеклянных термометров

Величина основной погрешности, возникающей при нормальных условиях эксплуатации, устанавливается техническими условиями на конкретные типы термометров. Она зависит от типа термометров, температурного интервала измерений, цены наименьшего деления шкалы. Кроме основной погрешности, имеется ряд дополнительных погрешностей, суммарное значение которых может быть значительным. Перечислим некоторые из них.

I. Несовпадение измеряемой температуры и температуры самого термометра. Как и в других контактных видах измерения, температура самого термометра (а следовательно, отсчет по шкалам) будет отличаться от температуры среды вследствие отвода тепла по телу термометра и металлической оправе, лучистого теплообмена и т. д.

Все гермометры (и лабораторные, и технические) при выпуске проходят государственную поверку. Если термометры удовлетворяют требованиям в отношении допустимой Погрешности, то они клеймятся и могут быть выпущены в эксплуатацию. Лабораторные термометры, кроме того, снабжаются свидетельством, в котором указаны величины поправок на разных отметках шкалы и величина смещения пулевой точки, для того чтобы иметь ВОЗМОЖНОСТЬ вводить поправку в показания термометра.

Защитные оправы для технических термометров

Для удобства монтажа термометров, предохранения их от механических повреждении, а также для безопасной работы в случае установки их на агрегатах, находящихся под избыточным давлением, применяют защитные оправы. Согласно ГОСТу оправы разделяются в зависимости:

• от применения - на оправы, применяемые при условном давлении до 64 кГ/см2 и изолирующие резервуар термометра от непосредственного соприкосновения с измеряемой средой, и оправы открытые и перфорированные, применяемые при избыточном давлении, равном нулю, и допускающие непосредственное соприкосновение резервуара термометра с измеряемой средой;
• от способа крепления - на резьбовые и фланцевые;
• от формы нижней части - на прямые и изогнутые под углом 90, 120 и 135°;
• от длины нижней части - на 10 номеров.
• зависимости от давления измеряемой среды и от ее температуры нижняя часть оправы изготовляется из медных, латунных или стальник труб толщиной стенок 1-1,5 мм. Размеры, обозначенные на фигуре буквами, берутся в зависимости от длины хвостовой части термометра.

Помимо оправ, выпускаемых по ГОСТу, выпускаются оправы для работы в условиях специфических воздействий на них измеряемой среды или более высоких внешних нагрузок; они должны изготавливаться из материалов соответствующего качества и необходимых размеров.

Температура является одной из важнейших физических величин, оцениваемых в системах автоматизации водоснабжения и водоотведения. Современные методы и средства измерения температуры основаны на физических свойствах жидкостей, газов. Твердых тел. Проявляемых при изменении температуры. В настоящее время используются электрические и неэлектрические методы измерения температуры.

Технические средства автоматизации ТСА предназначенные для измерения температуры называются термометрами .

Классификация приборов для измерения температуры:

1. Термометры расширения – действие основано на изменении линейных размеров и объема жидких и твердых тел при изменении температуры.

2. Манометрические термометры – действие основано на изменении давления рабочего вещества от температуры при постоянном объеме.

3. Термоэлектрические преобразователи (ТЭП), термопары – действие основано на зависимости термоэлектродвижущей силы (ТЭДС) от температуры.

4. Термометры сопротивления – действие основано на зависимости электрического сопротивления чувствительного элемента от температуры.

5. Пирометры излучения – действие основано на зависимости температуры от яркости излучения.

Термометры расширения

Построены на принципе изменения объема жидкости (жидкостные) или линейных размеров твердых тел (деформационные) при изменении температуры.

Действие жидкостных стеклянных термометров основано на различии коэффициентов теплового расширения термометрического вещества (ртуть, спирт или другие органические жидкости) и оболочки, в которых оно находится (термометрическое стекло или кварц). Такие термометры, как правило, используются в промышленности и в лабораторной практике для местных измерений температуры в пределах от -200°С до 600°С с высокой точностью. Цена деления, например, образцовых стеклянных термометров с узким диапазоном шкалы может составлять 0,01 °С.

Изготавливаются лабораторные термометры типа ТЛ на пределы измерения от -100°С до 500 °С; термометры промышленные типа ТП на пределы от -30°С до 500 °С; термометры технические типа ТТ на те же пределы и др.

Основные достоинства жидкостных стеклянных термометров – простота и высокая точность измерения; недостатки – невозможность, регистрации и передачи показаний на расстояние, значительная тепловая инерция, невозможность ремонта.

Деформационные делятся на биметаллические и дилатометрические. Их действие основано на термометрическом свойстве теплового расширения различных твердых тел.

Манометрические термометры

Манометрический термометр (рис. 32) состоит из термобаллона 1, капиллярной трубки 2 и манометрической части 3-7. Вся система прибора (термобаллон, капиллярная трубка, манометрическая пружина) заполнена рабочим веществом. Термобаллон, изготавливаемый в виде цилиндра из стали или латуни, помещают в контролируемую среду. При нагревании термобаллона давление рабочего вещества внутри замкнутой системы увеличивается. Увеличение давления воспринимается манометрической трубкой (пружиной), которая воздействует через передаточный механизм на стрелку или перо прибора. Капилляр изготовляют из медной или стальной трубки с внутренним диаметром 0,15–0,5 мм. В зависимости от назначения прибора длина капиллярной трубки может быть различной и находится обычно в пределах следующего ряда: 1; 1,6; 2,5; 4; 6; 10; 16; 25; 40 и 60 м. Капиллярная трубка может быть одно- и многовитковой. Иногда капилляр может отсутствовать, и термобаллон непосредственно соединяют с манометрической частью. Для защиты от механических повреждений капилляр помещают в защитную оболочку из стального плетеного рукава.

Рис. 32. Манометрический термометр с трубчатой пружиной:

1 – термобаллон; 2 – капиллярная трубка; 3 – манометрическая трубка (пружина); 4 – держатель; 5 – поводок; 6 – зубчатый сектор; 7 – биметаллический компенсатор

Манометрические термометры широко применяют в химических производствах. Они просты по устройству, надежны в работе, при отсутствии электропривода диаграммы – взрыво- и пожаробезопасны. С помощью этих приборов можно измерять температуру в диапазоне от -150 до +600 °С.

Различают следующие типы манометрических термометров:

Газовые, в которых вся система заполнена газом под некоторым начальным давлением;

Жидкостные, в которых система заполнена жидкостью;

Конденсационные, в которых термобаллон частично заполнен низкокипящей жидкостью, а остальное пространство термобаллона заполнено парами этой жидкости.

По устройству манометрические термометры всех типов аналогичны. Они бывают показывающими, регистрирующими и контактными.

Газовые МТ заполняются азотом, гелием применяются для измерения температуры от -60 до +600 0 С.

Достоинства: равномерная шкала; статистические характеристики линейны.

У жидкостных МТ всю систему заполняют жидкостью (метиловый спирт, ксилол, толуол, ртуть и т.д.) под начальным давлением 1,5-2 МПа. Применяются для измерения температуры от -60 до +300 0 С.

Достоинства: те же, как у газовых МТ.

Недостатки: значительные температурные погрешности.

Манометрические конденсационные термометрыреализуют зависимость упругости насыщенных паров низкокипящей жидкости от температуры. Поскольку эти зависимости для используемых жидкостей (хлористый метил, этиловый эфир, хлористый этил, ацетон и др.) нелинейны, следовательно, и шкалы термометров неравномерны. Эти приборы обладают более высокой чувствительностью, т.к. давление насыщенного пара очень быстро изменяется с температурой. Диапазон измерения температуры от -50 до +300 °С.

Недостатки: погрешности при измерении атмосферного давления.

Термопреобразователи сопротивления (ТС)

Измерение температуры ТС основано на изменении электрического сопротивления проводников или полупроводников с изменением температуры. Зная эту зависимость, можно по значению сопротивления определить температуру среды, в которую помещен ТС. При увеличении температуры сопротивление ряда чистых металлов возрастает, а полупроводников снижается.

Зависимость сопротивления металлов от температуры в небольшом интервале температур можно приближенно выразить уравнением:

,

где – сопротивление металлического проводника при температуре t °C; - сопротивление того же проводника при температуре 0 0 C; – температурный коэффициент электрического сопро­тивления, 1/ 0 C.

Зависимость между сопротивлением и температурой для ТС различных типов дается в градуировочных таблицах.

Для изготовления ТС наиболее пригодны по своим физико-химическим свойствам платина и медь. Для платины ; для меди .

Чувствительные элементы ТС представляют собой тонкую медную или платиновую проволоку, намотанную бифилярно на специальный слюдяной, фарфоровый или пластмассовый каркас. Для предохранения от внешних воздействий чувствительные элементы ТС заключают в металлическую трубку с литой головкой, в которой смонтированы выводы концов обмотки для их подключения к соединительным проводам (рис. 33).

Рис. 33. Платиновый (а) и медный (б) ТС:

1 – серебряная лента; 2 – платиновая проволока; 3 –слюдяная пластинка; 4 – подводящие серебряные провода; 5 – фарфоровые бусы; 6 – пластмассовая головка; 7 – тонкостенна защитная трубка; 8 – защитный чехол; 9 – медная проволока; 10 – пластмассовый каркас; 11 – медные подводящие провода

Термопреобразователи сопротивления изготавливают следующих типов: ТС медные (ТСМ) на пределы от –50 до 200 °С; ТС платиновые (ТСП) на пределы от –260 до 750 °С.

Перспективные средства измерения температуры:

1. Термопреобразователи с унифицированным выходным сигналом: ТСМУ Метран-274 на пределы от –50 до 200 °С, ТСПУ Метран-276 на пределы от –200 до 500 °С. У них чувствительный элемент первичного преобразователя и встроенный в головку датчика термический преобразователь преобразуют измеряемую температуру в унифицированный сигнал постоянного тока

2. Термопреобразователи микропроцессорные: ТСМУ Метран-274МП, ТСПУ Метран-276МП.

3. Интеллектуальные преобразователи температуры: Метран-281 и метран-286 – управляемые интеллектуальные преобразователи, работают дистанционно (оператор может произвести настройку, выбор основных параметров, перенастройка и запрос информации о самом преобразователе). На выходе имеют унифицированный сигнал 4 – 20 мА.

Термоэлектрические преобразователи

В основу действия положен термоэлектрический эффект, заключающийся в том, что в замкнутой цепи, состоящей из двух или нескольких разнородный проводников, возникает электрический ток, если хотя бы 2 соединения (спая) проводников имеют разные температуры.

Конструктивно ТЭП представляет собой две проволоки (А и В) из разнородных металлов, нагреваемые концы которых скручиваются, а затем свариваются или спаиваются (рис. 34). Спай, имеющий температуру t, называется рабочим, помещается в контролируемую среду, а с температурой t o – свободным.

Рис. 34. Термоэлектрическая цепь из двух разнородных проводников

Суммарную термоэлектродвижущую силу (ТЭДС) замкнутой цепи ТЭП, спаи которой нагреты до температур t и t 0 можно выразить уравнением:

где E AB (tt 0) – суммарная ТЭДС ТЭП; e AB (t ), e AB (t 0) – потенциалы, возникающие в спаях.

Поддерживая температуру одного из спаев постоянной, например , получаем .

Для устранения влияния изменения температуры окружающей среды на величину возникающей ТЭДС свободные концы ТЭП термостатируют или применяют специальные компенси­рующие устройства. Для измерения ЭДС в цепь термопары включают вторичный прибор (милливольтметр и потенциометр). Его подключают в спай с температурой t o либо в один из термоэлектродов. ТЭДС термопары не изменяется от введения в ее цепь вторичного прибора, если свободные спаи имеют одинаковую температуру и провода, которыми подключается вторичный прибор, изготовлены их материала, отличного от материалов электродов А и В.

В соответствии с общепринятой международной классификацией термоэлектрические преобразователи (термопары) разделяются на несколько типов в зависимости от применяемых материалов и характеристик. Характеристики некоторых основных типов ТП приведены в табл. 1.

Классификация средств измерения температуры

Классификация средств измерения температуры ведется по используемому термометрическому свойству:

1. Изменение давления рабочего вещества при постоянном объеме:

Газовые; пределы измерения -150…600 0 С;

Жидкостные; пределы измерения -150…600 0 С;

Конденсационные; пределы измерения -50…350 0 С.

2. Термоэлектрический эффект (термо ЭДС)

Термоэлектрические преобразователи (термопары); пределы измерения -200…2200 0 С.

3. Измерение электрического сопротивления

Металлические термопреобразователи сопротивления; пределы измерения -260…1100 0 С;

Полупроводниковые термопреобразователи сопротивления; пределы измерения -240…300 0 С;

4. Пирометры излучения

Квазимонохроматические; пределы измерения 700…6000 0 С;

Спектрально отношения; пределы измерения 1400…2800 0 С;

Радиационные; пределы измерения 50…3500 0 С.

Манометрические термометры

Принцип действия манометрических термометров основан на зависимости давления рабочего вещества в замкнутом объеме от температуры. В соответствии с агрегатным состоянием рабочего вещества в термосистеме манометрические термометры подразделяются на газовые, жидкостные и конденсационные (парожидкостные).

Могут использоваться для измерения температур в диапазоне от -150 до +600 0 С. Диапазон измерения определяется свойствами рабочего вещества. Термометры с специальным наполнением могут применяться в диапазоне 100…1000 0 С.

Термосистема манометрического термометра (рис. 1) состоит из термобаллона 1, капилляра 2, плоской трубчатой пружины 3. Термосистема заполнена рабочим веществом в указанной замкнутой системе. Термобаллон помещается в среду, температуру которой необходимо измерить. При нагревании рабочее вещество расширяется и, поскольку система замкнутая, внутри ее давление увеличивается. Вследствие этого плоская пружина стремиться принять круглый профиль и она распрямляется, а свободный конец перемещается. Перемещение через тягу 5 передается на зубчатый сектор 6, который находится в зацеплении с зубчатым колесом 7. На ось колеса насажена стрелка указателя 8, которая вместе со шкалой 9 образуют отсчетное устройство прибора.

Для создания противодействующего момента предусмотрена 10, один конец которой закреплен на зубчатом колесе, а другой - на станине прибора. Влияние температуры окружающей среды на показания прибора компенсируется биметаллическим или инварным компенсатором 4.

Термобаллон - цилиндр, изготовленный из латуни или специальных сталей, стойких к воздействиям агрессивных сред. Диаметр термобаллона 5…30 мм, длина - 60…500 мм.

Капилляр - медная или стальная трубка с внутренним диаметром 0,1…0,5 мм. Длина капилляра в зависимости от эксплуатационных требований колеблется от нескольких сантиметров до 60 м. Медные капилляры имеют стальную пружинную защитную оболочку, предохраняющую их от механических повреждений в процессе монтажа и эксплуатации.

Для улучшении метрологических характеристик к манометрическим пружинам предъявляется ряд требований. С целью уменьшения температурной погрешности пружина должна иметь по возможности малый объем. Пружина должна иметь возможность раскручиваться на больший угол и свободный ее конец должен обладать значительным тяговым усилием для механического перемещения дополнительных устройств.

В зависимости от конструкции измерительной системы манометрического термометра он бывает показывающий, самопишущий, бесшкальный со встроенным датчиком для дистанционной передачи показаний на расстояние.

Газовые манометрические термометры предназначены для измерения температур в диапазоне -150…600 0 С. Термометрическое вещество - гелий или азот. Принцип работы основан на законе Гей-Люссака:

P t = P 0 (1 + βt) (9)

где Р 0 и Р t - давление при 0 0 С и при t ;

β - термометрический коэффициент давления газа, равный 1/273,15 или 0,00366 К -1 .

Теоретически линейная связь между Р t и t в соответствии с законом строго не сохраняется для реальных систем. Это связано с тем, что с изменением давления изменяется объем манометрической пружины, а с изменением температуры меняется объем термобаллона, а также происходит массообмен между термобаллоном и капиллярной трубкой. В тоже время эти изменения незначительны и практически можно считать, что шкалы газовых манометрических термометров равномерны.

Жидкостные манометрические термометры . В качестве термометрического вещества используется ртуть под давлением 10…15 МПа при нормальной температуре или толуол, ксилол, пропиловый спирт, силиконовые жидкости и т.п. вещества при давлении 0,5…5 МПа. При ртутном заполнении диапазон измерений составляет -30…600 0 С, а для органических жидкостей - 150…300 0 С.

Ввиду того, что жидкость практически несжимаема, объем термобаллона жидкостных манометрических термометров в отличии от газовых должен быть согласован со свойствами используемой манометрической пружины.

При изменении температуры в диапазоне от начальной t н до конечной t к их термобаллона объемом V τ вытесняется жидкость объемом DV τ :

DV τ = V τ (β ж - 3α)(t к - t н) (10)

где β ж - температурный коэффициент объемного расширения жидкости;

α - коэффициент линейного расширения материала термобаллона.

В жидкостных манометрических термометрах, как и в газовых, имеет место погрешность от изменения температуры окружающей среды. Для уменьшения этой погрешности принимаются те же меры, что и для компенсации указанной погрешности в газовых термометрах. Действие инварного компенсатора основано на том, что в капиллярную трубку помещается проволока из инвара и рабочее вещество оказывается в кольцевом зазоре между проволокой и стенкой капилляра. Диаметр проволоки выбирают таким, чтобы при повышении температуры в капилляре приращение кольцевого зазора было тем же, что и приращение объема жидкости в зазоре.

Манометрическим жидкостным термометрам свойственна гидростатическая погрешность, вызванная различным расположением измерительной части относительно термобаллона по высоте. Эта погрешность устраняется после монтажа прибора путем смещения указателя прибора на нужное деление по шкале.

Конденсационные манометрические термометры. В качестве термометрического вещества в этих термометрах используются легкокипящие жидкости, в частности пропан, этиловый эфир, ацетон, толуол, хлористый метил и т.п. В зависимости от используемого рабочего вещества диапазон измерений лежит в интервале -50…+350 0 С. Специально изготовленные конденсационные термометры применяются для измерения сверхнизких температур. Например, при заполнении гелием можно измерять температуру от 0,8К. Термобаллон термометра заполнен конденсатом на 0,7…0,75 объема, а над конденсатом находится насыщенный пар этой же жидкости (рис. 2).

Рис. 2 Термобаллон конденсационного термометра низкокипящих жидкостей от температуры Т :

(11)

где L - скрытая теплота испарения;

V п и V ж - удельные объемы пара и жидкости соответственно.

Давление в термосистеме конденсационного термометра равно давлению насыщенного пара при температуре рабочей жидкости, которая, в свою очередь, равна температуре измеряемой среды с помещенным в нее термобаллоном. Зависимость давления насыщенного пара от температуры однозначна (до критической температуры), но нелинейна, вследствие чего шкалы конденсационных термометров имеют значительную неравномерность. Для получения равномерной шкалы конденсационные термометры снабжают специальным линеаризирующим устройством. Рабочее давление в конденсационных термометрах зависит только от пределов измерения и закона изменения давления насыщенного пара от температуры.

В связи с этим изменение температуры окружающей среды не оказывают влияния на показания прибора. Действительно, если повышается температура капилляра и манометрической пружины, то объем наполняющей их жидкости увеличивается и частично вытесняется в Термобаллон, где часть объема насыщенного пара сконденсируется и давление в термосистеме не изменится. В силу того, что Термобаллон может быть выполнен малых размеров, эти термометры менее инерционны, чем другие. Кроме того, они более чувствительны, так как давление насыщенного пара резко изменяется с изменением температуры.

Конденсационным термометрам присуща гидростатическая погрешность и погрешность от изменения барометрического давления. Первая компенсируется аналогично жидкостным. Вторая имеет место лишь на начальном участке шкалы, когда давление в термосистеме невелико.

Манометрические термометры - достаточно простые устройства, позволяющие осуществлять автоматическую регистрацию измерений и передачу их на расстояние. Важное достоинство - возможность использования их на взрывоопасных объектах. Недостатки: необходимость частой поверки из-за возможной разгерметизации прибора и сложность ремонта.

Промышленные манометрические термометры имеют класс точности 1…4.

Передаточная функция манометрического термометра может иметь вид:

(12)

Измерение температуры термоэлектрическими термометрами - термоэлектрическими преобразователями (ТЭП) основано на использовании открытого в 1821 году немецким физиком Томасом Иоганном Зеебеком термоэлектрического эффекта.

Термоэлектрический преобразователь представляет собой цепь, состоящую из двух или нескольких соединенных между собой разнородных проводников.

Рис. 3 Схема ТЭП

При размыкании такой цепи на ее концах может быть измерена так называемая термоэлектродвижущая сила (термоЭДС). Следует отметить, что рассматриваемый эффект обладает обратным свойством: если в такую цепь из вне подать электрический ток, то один спай будет охлаждаться, а другой - нагреваться (эффект Пельтье, Жан Шарль Атаназ; французский физик).

Возникновение термоЭДС в современной физике объясняют различной работой выхода электронов различных металлов и поэтому при соприкосновении этих металлов возникает контактная разность потенциалов. Кроме того, при различии температур концов проводников в них возникает диффузия электронов, приводящих к возникновению разности потенциалов на концах проводников. Т.о., оба указанных фактора - контактная разность потенциалов и диффузия электронов - являются слагаемыми результирующей термоЭДС цепи, значение которой в конечном итоге зависит от природы термоэлектродов и разности температур спаев ТЭП.

Для математической формализации соотношения между контактной термоЭДС и результирующей термоЭДС цепи необходимо принять ряд условий. Один термоэлектрод, от которого в спае с меньшей температурой ток идет к другому термоэлектроду, принято считать положительным, а другой - отрицательным.

Обозначим контактную термоЭДС в спае между электродами А и В при температуре t как е АВ (t). Указанная запись означает, что если электрод А положительный и он в написании идет первым, то термоЭДС е АВ (t) имеет положительный знак.

При принятом условии запись е ВА (t) будет означать, что эта термоЭДС учтена с отрицательным знаком в соответствии с законом Вольта: в замкнутой цепи из двух разнородных проводников при равновесии температур спаев термоток цепи равен нулю.

Исходя из этого можно заключить, что если спаи 1 и 2 имеют одну и туже температуру, например t 0 , то контактные термоЭДС в каждом спае равны между собой и действуют навстречу, и поэтому результирующая термоЭДС такого контура Е АВ (t 0 t 0) равна нулю, т.е.:

Е АВ (t 0 t 0) = e AB (t 0) - e AB (t 0) = 0 (13)

или с учетом того, что e AB (t 0) = - e B А (t 0),

Е АВ (t 0 t 0) = e AB (t 0) + e B А (t 0) = 0 (14)

Рассматривая это выражение с формальной точки зрения, можно принять следующее правило: результирующая термоЭДС контура равна арифметической сумме контактных термоЭДС, в символе которых очередность записи термоэлектродов соответствует направлению обхода контура (например, против движения часовой стрелки).

Для замкнутой цепи (рис. 3) результирующая термоЭДС составит:

Е АВ (t t 0) = e AB (t) + e ВА (t 0) (15)

или Е АВ (t t 0) = e AB (t) - e АВ (t 0) (16)

это уравнение называют основным уравнением ТЭП. Из него следует, что возникающая в контуре термоЭДС Е АВ (t t 0) зависит от разности функций температур t и t 0 . Если сделать t 0 = const, то

e AB (t 0) = с = const

и Е АВ (tt 0) t= const = e AB (t) - c = f(t) (17)

При известной зависимости путем измерения термоЭДС в контуре ТЭП может быть найдена температура t в объекте измерения, если температура t = const. Спай, погружаемый в объект измерения, называют рабочим (горячим) спаем или концом, а спай вне объекта - свободным (холодным) спаем или концом.

Следует отметить, что в явном виде зависимость

E = f(t) (18)

для конкретно используемых термоэлектродных материалов пока не может быть получена аналитически с достаточной точностью. Поэтому при измерении температур эта зависимость для различных ТЭП устанавливается экспериментальным путем методом градуировки и последующего нормирования или построения графика зависимости термоЭДС от температуры. В процессе градуировки температура свободных концов ТЭП должна поддерживаться постоянной на уровне t 0 = 0 0 C.

Необходимо подчеркнуть, что генерируемая в контуре ТЭП термоЭДС зависит только от химического состава термоэлектродов и температуры спаев и не зависит от размеров термоэлектродов и спаев.

Включение измерительного прибора в цепь ТЭП. Для измерения термоЭДС в цепь ТЭП включают измерительный прибор по одной из двух схем:

Рис. 4 Схемы включения прибора в цепь ТЭП

Обе схемы включения прибора можно представить как включение в цепь еще одного проводника С . При включении измерительного в разрыв спая свободного конца (схема а ) ТЭП имеет один рабочий спай 1 и два свободных спая 2 и 3.

При включении по схеме б ТЭП имеет четыре спая: рабочий 1, свободный 2 и два нейтральных 3 и 4 при постоянной температуре t 1 . Несмотря на внешнее различие схем, термоЭДС в обоих случаях будут одинаковы, если концы проводника С будут равны.

Для схемы а имеем:

Е АВС (tt 0 t 0) = e AB (t) + e В C (t 0) + e CA (t 0) = 0 (19)

Если температура всех спаев одинакова, то

E ABC (t 0 t 0 t 0) = e AB (t 0) + e BC (t 0) + e CA (t 0) = 0 (20)

e B А (t 0) = e BC (t 0) + e CA (t 0) (21)

Подставляя (21) в (19), получим

E ABC (tt 0 t 0) = e AB (t) + e BA (t 0) = e AB (t 0) = e AB (t) - e AB (t 0) = E(tt 0) (22)

т.е. уравнение полностью совпадает с основным уравнением ТЭП.

Для цепи б имеем:

Е АВС (tt 1 t 0) = e AB (t) + e BC (t 1) + e CB (t 1) + e BA (t 0) (22)

Учитывая, что e BC (t 1) = - e CB (t 1) и e BA (t 0) = -e AB (t 0), то

Е АВС (tt 1 t 0) = e AB (t) - e AB (t 0) = E(tt 0), (23)

т.е. уравнение (23) полностью совпадает с основным уравнением ТЭП.

Это свидетельствует, что введение третьего проводника на влияет на величину термоЭДС , и таким образом обе схемы включения измерительного прибора правомочны.

Поправка на температуру свободных концов ТЭП . Если температура t 0 ’ свободных концов ТЭП отлична от нуля, то показание измерительного прибора при температуре tрабочих концов будет соответствовать генерируемой в этом случае термоЭДС, равной

E(tt 0 ’) = e AB (t) - e AB (t 0 ’) (24)

Как отмечалось, градуировочная таблица или график зависимости термоЭДС от температуры соответствует условию, когда температура t 0 свободных концов термопары равна нулю. Если это условие сохраняется в процессе измерения, то

Е АВ (t 0 t 0) = e AB (t) - e AB (t 0) (25)

Вычтем из (25) выражение (24), тогда

E AB (tt 0) = E(tt 0 ’) + (26)

E AB (tt 0) = E AB (tt 0 ’) + E AB (t 0 ’ t 0) (27)

Здесь E AB (t 0 ’ t 0) представляет собой поправку, определяемую из градуировочных данных используемых ТЭП по измеренной температуре свободных концов. Найденное значение E AB (t 0 ’ t 0) прибавляется к измеренному прибором значению температуры E AB (t 0 ’ t 0) , если t 0 ’ > t 0 = 0, и отнимается при t 0 ’ < t 0 = 0. по значению полученного результата из градуировочной таблицы или графика находят искомую температуру.

Удлиняющие провода и термостатирование свободных концов . Для исключения влияния температуры измеряемого объекта на свободные концы ТЭП их следует удалить из зоны с переменной температурой. Для этого целесообразно удлинять не сами термоэлектроды, а продлевать их с помощью специальных проводов. Если провода выбраны правильно, то места их подключения к измерительному прибору рассматриваются как свободные концы.

Условия, которым должны отвечать термоэлектродные провода, определим из схемы рис. 5.

Рис. 5 Схема соединения ТЭП с ИП термокомпенсационными проводами развиваемая в цепи термоЭДС

E = e AB (t) + e BD (t 1) + e DC (t 0) + e CF (t 0) +e FA (t 1) (28)

Если принять, что все спаи имеют температуру t 1 , то

e AB (t 1) + e BD (t 1) + e DC (t 1) + e CF (t 1) +e FA (t 1) = 0 (29)

Вычитая (29) из (28) и имея ввиду уравнение (21), получим

Е = + = E AB (tt 1) + E FD (t 1 t 0) (30)

Пусть провода F и D имеют характеристику, совпадающую с термоэлектродами в интервале 0 0 С…100 ~ 120 0 С, то есть

E FD (t 1 t 0) = E AB (t 1 t 0) (31)

Тогда получим

Е = E AB (tt 1) + E AB (t 1 t 0) = E AB (tt 0) (32)

В практике подбор проводов производят по таблицам.

Свободные концы, удаленные от объекта измерения, подлежат термостатированию. Термостатирование при t = 0 0 С осуществляется путем погружения концов в пробирку с маслом, находящуюся в сосуде Дьюара с тающим льдом.

Для поддержания свободных концов при температуре, отличной от 0 0 С, используют коробки холодных спаев КХС, снабженные простым автоматическим биметаллическим терморегулятором. Обычно поддерживается температура 5060,5 0 С.

Способы соединения ТЭП . Соединяя между собой термопары различным образом, можно для конкретных задач измерения значительно улучшить их точность.

Рис. 6 Схемы соединения термоэлектрических преобразователей

При необходимости измерения разности температур используется дифференциальный способ соединения (рис. 6а). Здесь оба конца 1 и 2 являются рабочими и помещаются в среды с температурами t 1 и t 2 . Нейтральные концы 3 и 4 должны иметь одинаковую температуру t 0 . По развиваемой в контуре термоЭДС E(t 1 t 2) определяют разность t 1 - t 2 , используя соответствующий участок градуировочной кривой.

Если температура t измеряемого объекта незначительно отличается от температуры t 0 свободных концов ТЭП, то используют термобатарею, представляющую собой систему из n последовательно включенных ТЭП. Суммарная термоЭДС в контуре батареи в n раз больше, чем в одном ТЭП, т.е. равна nE AB (tt 0), благодаря чему увеличивается чувствительность измерения.

Термобатареи, собранные по схеме в рис. 6, называют дифференциальными преобразователями, с помощью которых измеряют любую разность температур. Здесь спаи 1 и 2 являются рабочими и располагаются в средах с температурами t 1 и t 2 , a спаи 3 и 4 действительно нейтральными с одинаковой температурой t 0 . Результирующая термоЭДС равна nE(t 1 t 2).

Требования к материалам ТЭП .

Несмотря на то, что любые два проводника способны развивать термоЭДС, лишь ограниченное число термоэлектродов используются для создания ТЭП.

К материалам термоэлектродов предъявляется ряд требований:

Однозначная и по возможности близкая к линейной зависимость термоЭДС от температуры;

Жаростойкость и механическая прочность с целью измерения высоких температур;

Химическая инертность;

Термоэлектрическая однородность материала электрода по его длине, что позволяет восстанавливать рабочий спай без переградуировки, а также менять глубину его погружения;

Технологичность изготовления с целью получения взаимозаменяемости по термоэлектрическим свойствам материалов;

Дешевизна;

Стабильность и воспроизводимость термоэлектрических свойств, что позволяет создать стандартные градуировки.

Ни один из существующих в настоящее время материалов не удовлетворяет полностью всем требованиям, в результате чего для различных пределов измерений термоэлектроды из различных материалов.

Сегодня наша промышленность выпускает достаточно большое количество типов ТЭП, способных измерять температуры в диапазоне от -270 0 С до 2500 0 С. Межгосударственный стандарт ГОСТ 6616-94 «Преобразователи термоэлектрические. Общие технические условия» определяет понятия термоэлектрического преобразователя и термопары. Термоэлектрический преобразователь - устройство с металлическими термопарами в качестве термочувствительных элементов, предназначенных для измерения температуры. Термопара - два проводника из разнородных материалов, соединенных на одном конце и образующих часть устройства, использующего термоэлектрический эффект для измерения температуры. В стандарте нормализованы требования к 12 типам термопар (ТП), некоторые из них представлены в таблице 1.

Таблица 1 Характеристика основных видов ТП

Продолжение табл. 1

При выборе термопар особое внимание необходимо обращать на рабочую атмосферу измеряемой среды. Некоторые типы термопар имеют ограниченную область применения из-за своего химического состава или вредного воздействия рабочей среды на материалы термоэлектродов.

Рабочие среды подразделяются на окислительную, восстановительную и инертную. Под окислительной средой обычно подразумевается воздух (21% объема О 2) или смесь газов при избытке кислорода, в которой происходит окисление вещества. Присоединение атомами кислорода (образование оксида) - частный случай реакции окисления. Слабоокислительная среда содержит кислород в смеси газов на уровне 2…3%. В восстановительной среде идут химические реакции, в которых атомы и ионы присоединяют электроны. При этом происходит понижение валентности элемента. Примеры восстановительных сред - сухой водород Н 2 , СО, углесодержащие газовые среды, эндогаз, экзогаз, коксовый и доменный газы, диссоциированный аммиак, выхлопные газы камер сгорания. Инертная среда существует в газах N 2 , Ar, He и других инертных.

2. «+» - эксплуатация в данной атмосфере возможна;

Конструкция ТЭП . Для предохранения от механических повреждений и вредного влияния объекта измерения термоэлектроды преобразователя помещают в защитную арматуру. На рис. 7 показано устройство стандартного термоэлектрического преобразователя.

В жесткой защитной гильзе 1 расположены термоэлектроды 3 с надетыми на них изоляционными бусами 4. Горячий спай 2 касается дна гильзы или может быть изолирован от него с помощью керамического наконечника. К термоэлектродам в головке 8 винтами 6 на розетке 5 подсоединяются удлинительные провода 7. Защитная гильза вместе с термоэлектродами вводится в объект измерения и крепится на нем с помощью штуцера 9.

Рис. 7 Конструкция ТЭП

Диаметр электродов 0,5…3 мм. Выбор конструкции ТЭП производится в зависимости от конкретных условий измерений.

Динамическая характеристика ТЭП в общем виде записывается в виде передаточной функции

(33)

Значения постоянной времени Т и транспортного запаздывания τ зависит от конструктивных размеров и используемых материалов защитных гильз. Для выпускаемых промышленностью ТЭП эти величины находятся в пределах Т = 1,5…8 мин, и τ = 9…30 с, а τ/Т = 0,11…0,78.

Средства измерения сигналов ТЭП

В качестве средств измерений, работающих в комплекте с ТЭП, используются милливольтметры магнитоэлектрической системы, потенциометры и нормирующие преобразователи.

Магнитоэлектрический милливольтметр . Схема измерительного механизма прибора показана на рис. 8.

Рис. 8 Схема измерительного механизма милливольтметра

крепятся одним концом к оси, другим - к неподвижной части прибора. Они же являются токоподводами.

Рамка представляет собой прямоугольник длиной l и шириной 2r и состоит из n витков тонкой медной проволоки. Благодаря сердечнику 1, расположенному внутри рамки, последняя оказывается под действием равномерного и радиального магнитного поля, в силу чего независимо от угла поворота рамки, плоскость ее оказывается параллельной вектору магнитной индукции В .

При протекании по рамке электрического тока I на подвижную систему действует магнитоэлектрический момент

М МЭ = 2rlBI (34)

где 2r - ширина рамки;

l - длина рамки.

Противодействующий момент М ПР , созданный спиральной пружиной или подвеской, равен

М ПР = Wφ (35)

где W - удельный противодействующий момент;

φ - угол поворота рамки.

При некотором угле поворота φ имеем

М ПР = М МЭ (36)

т.е. Wφ = 2rlBI (37)

или (38)

где S 1 = φ/I - чувствительность измерительного механизма к току, рад/А.

Для получения зависимости угла поворота рамки от напряжения U , подведенного к прибору с внутренним сопротивлением R М , из (38) имеем

(39)

где S U = S 1 /R M = φ/U - чувствительность прибора к напряжению.

Из (39) следует, что чувствительность к напряжению тем меньше чувствительности к току, чем больше внутреннее сопротивление прибора.

Измерение термоЭДС милливольтметром осуществляется по схеме, представленной на рис. 9.

Рис. 9 Схема измерения термоЭДС милливольтметром

Генерируемая ТЭП термоЭДС Е АВ (tt 0) создает в замкнутой цепи ток

где R AB , R FD , R C , R У, R Р, R Д - сопротивления термоэлектродов АВ , удлинительных проводов FD , соединительных линий С , уравнительной катушки, рамки милливольтметра, добавочной катушки соответственно;

R BH = (R AB + R FD + R C + R У) - внешнее по отношению к зажимам ab прибора сопротивление цепи;

R M = (R Р + R Д) - внутреннее сопротивление милливольтметра.

Представим (40) в виде

U ab = IR M = Е АВ (tt 0) - IR ВН (41)

Из (41) видно, что измеряемое милливольтметром напряжение U ab , подведенное к его зажимам ab , всегда меньше, чем ЭДС в цепи, на значение падения напряжения IR ВН во внешней цепи, обусловленного проходящим в контуре током.

В силу того, что сведение к нулю IR ВН при использовании милливольтметра невозможно, следовательно принципиально невозможно непосредственное измерение ЭДС милливольтметром. В то же время при соблюдении определенных условий измерения с некоторой погрешностью можно принять, что показания милливольтметра однозначно зависят от развиваемой в цепи термоЭДС.

Подставляя (40) в (38), получим

(42)

Отсюда следует, что если иметь R BH + R M = const, то между показаниями φ милливольтметра и измеряемой термоЭДС была однозначная зависимость и шкалу прибора можно было бы градуировать в градусах, соответствующих термоЭДС для данного ТЭП. В то же время внутреннее и внешнее сопротивления меняются в зависимости от температуры окружающей среды, что приводит к погрешности измерения.

Покажем, что уменьшение погрешности может быть достигнуто за счет уменьшения отношения R BH / R M и уменьшения R Р /R M .

Преобразим (40) к виду

(43)

Из выражения (43) видно, что чем меньше отношение R BH / R M по сравнению с единицей, тем в меньшей мере изменение этого отношения, вызванного, например, изменением температуры окружающей среды, сказывается на линейной связи между U ab и Е АВ (tt 0) . Уменьшение отношения R BH / R M возможно за счет увеличения R M . Так как рамка милливольтметра выполнена из медной проволоки сопротивлением R P , то R M увеличивают путем увеличения последовательно соединенного с ней добавочного сопротивления R Д , выполненного в виде манганиновой катушки. Значительное увеличение R M приводит к снижению чувствительности по напряжению S U милливольтметра. Обычно R M = 100…500 Ом, а отношение R Р /R M ≤ 1/3, что значительно уменьшает температурный коэффициент прибора. Значение R BH стандартизовано в пределах 0,6…25 Ом и указано на шкале прибора.

Таким образом, использование градусной шкалы милливольтметра возможно, если градуировка ТЭП соответствует градуировке, указанной на шкале. При этом необходимо подогнать сопротивление внешней линии к значению R BH , указанному не шкале прибора, с помощью подгоночного сопротивления R У .

Милливольтметры, предназначенные для работы с ТЭП, по конструктивному исполнению бывают переносные и стационарные (щитовые). Стационарные милливольтметры имеют только градусную шкалу. Промышленностью выпускаются показывающие, самопишущие и регулирующие классов точности 0,5; 1,0; 1,5; 2,0.

Потенциометры . Принцип действия этих приборов основан на уравновешивании (компенсации) неизвестной ЭДС известным падением напряжения, создаваемым током от дополнительного источника. Схема, поясняющая компенсационный метод измерения ЭДС, показана на рис. 10.

Рис. 10 Принципиальная схема потенциометра

Замкнутый контур I содержит дополнительный источник тока напряжением Е б и реохорд (компенсационный резистор) R ab . Этот контур называют компенсационным. Контур измерения II включает в себя ТЭП, термоЭДС Е АВ (tt 0) которого измеряется, и высоко чувствительный гальванометр, выполняющий функцию нуль-индикатора (НИ), а также R ac реохорда от точки «а » до подвижного контакта «с ».

Измеряемый источник Е АВ (tt 0) включен навстречу дополнительному источнику Е б так, что токи от обоих источников на участке R ac идут в одном направлении. Если обозначить ток, проходящий в контуре I, через I б (рабочий ток), а ток для контура II при некотором положении движка С через I т, то на основании закона Кирхгофа для контура II справедливо равенство

Е АВ (tt 0) = I т R ВН + I т R НИ + I т R ас + I б R ас (44)

где R ВН - сопротивление проводов, включая ТЭП;

R НИ - сопротивление нуль-индикатора.

(45)

Перемещая движок С , можно добиться того, чтобы I т стал равным нулю. Это определится показанием нуль-индикатора, и тогда

Е АВ (tt 0) = I б R ас (46)

Полученное равенство указывает на то, что если в контуре, где расположен источник измеряемой ЭДС, ток равен нулю, то падение напряжения на участке R ac служит мерой измеряемой ЭДС. Преимуществом компенсационного метода является отсутствие тока в цепи в момент измерения. Это исключает необходимость учета сопротивления внешней цепи и изменения сопротивления этой цепи от температуры.

Компенсирующее напряжение I б R ac можно измерять двумя методами:

Поддерживая значение I б на постоянном уровне, изменять сопротивление R ac ;

Сохраняя сопротивление R ac постоянным, изменять значение рабочего тока I б .

Наибольшее распространение получил потенциометр с постоянной силой рабочего тока.

Автоматический потенциометр . Измерительная схема автоматического потенциометра представлена на рис. 11.

Работа схемы основана на принципе постоянства силы рабочего тока. Здесь предусматриваются два контура компенсации напряжения II и III . Контур III , содержащий в цепи резистор R M из медной проволоки, служит для автоматического введения поправки на температуру свободных концов ТЭП. Свободные концы ТЭП с помощью удлинительных проводов FD подводятся к резистору R M и находятся при одной температуре с ним. Остальные резисторы измерительной схемы потенциометра выполняют из манганина.

Для питания измерительных контуров II и III в современных потенциометрах применяют вместо батареи постоянного тока источник стабилизированного питания ИПС, в котором входное напряжение переменного тока 6,3 В выпрямляется и стабилизируется в выходное напряжение постоянного тока 5 В при нагрузке 1 кОм и токе нагрузки I 0 , равном 5 мА. При работе ИПС в составе потенциометра напряжение между точками к и d равно 1019 мВ. С вводом ИПС в измерительную схему отпала необходимость контроля рабочего тока, упростилась кинематика механизма, повысилась надежность прибора.

Рис. 11 Измерительная схема автоматического потенциометра

Подключение к клеммам К 1 и К 2 нормального элемента и последовательно соединенного с ним нуль-индикатора осуществляется для контроля рабочего тока I 2 лишь при поверке и градуировке прибора. При этом U ke = I 2 R к =Е нэ . Обычно R к = 509,3 Ом, тогда I 2 = 2 мА; R у - резистор для установки рабочего тока I 2 ; R пр - значение сопротивления реохордной группы, состоящей из трех параллельно соединенных резисторов: собственно реохорда R р , шунта R ш и сопротивления R п .

Такая конструкция реохордной группы обусловлена тем, что при необходимости изменения пределов измерения прибора возможно, не трогая реохорд, изменить общее сопротивление R р за счет изменения сопротивления R п , а иногда и R ш, оставляя при этом R р стандартным. Реохорд изготавливается из проволоки специального сплава и является ответственным узлом схемы.

Резисторы R п и R б служат для установления начального значения шкалы прибора и значения тока I 1 =3 мА. В качестве нуль-индикатора в автоматических потенциометрах используется электронный усилитель ЭУ , на входе которого установлен модулятор МОД для преобразования сигнала разбаланса напряжения постоянного тока DU в переменное напряжение. Для предохранения усилителя от наводок и помех, возникающего в цепи ТЭП под влиянием электромагнитных полей, предусмотрен фильтр, состоящий из резистора R ф и конденсатора С ф .

Работа . Пусть при некотором значении измеряемой термоЭДС и некотором положении движка С ток во втором контуре измерения равен нулю, т.е. термоЭДС скомпенсирована падением напряжения U ce на участке cbde . Тогда сигнал разбаланса DU = Е АВ (tt 0) - U ce равен нулю. При сигнале DU ≠ 0 на выходе усилителя в соответствии с абсолютным значением и знаком разбаланса формируется управляющий сигнал, в соответствии с которым реверсивный двигатель перемещает движок реохорда С до тех пор, пока DU не станет равным нулю. Одновременно с движком по шкале прибора перемещается указатель.

Выпускаемые промышленностью автоматические потенциометры, различаясь по конструктивному исполнению, имеют одинаковую измерительную схему (рис. 11). При решении задач автоматического контроля и регулирования на практике оказывается необходимым с точки зрения увеличения точности измерения температуры конкретного объекта изменить стандартный диапазон измерения. Значения сопротивления резисторов измерительной схемы для заданного диапазона можно получить из следующих соотношений.

Для заданных начального t min и конечного t max значений температуры по шкале прибора для конкретного ТЭП из таблиц определяют E AB (t max t 0) и E AB (t min t 0). Падение напряжения U ab на сопротивлениях реохордной группы равно диапазону измерения прибора, т.е.

U ab = I 1 R пр = E AB (t max t 0) - E AB (t min t 0). (47)

Отсюда определяют значение R пр, принимая I 1 = 3 мА. Так как

R P = 130 Ом и R 2 =90 Ом или 100 Ом, по найденному значению R ПР определяют R П. Значение R н подбирают из условия

E AB (t min t 0) = U be = I 1 R H - I 2 (R M) t0 . (48)

(49)

Значение резистора R б определяется из условия постоянства тока I 1 = 3 мА:

I 1 (R б + R ПР + R H) = U dk = I 2 , (50)

(51)

(52)

Автоматические потенциометры выпускаются в виде показывающих, регистрирующих и регулирующих приборов, с цифровой или стрелочной индикацией. В них могут быть встроены устройства для регулирования или для дистанционной передачи показаний. Классы точности 0,25; 0,5 и 1,0.

Нормирующий преобразователь для термоЭДС . Для преобразования сигнала ТЭП в унифицированный токовый, по напряжению или цифровой применяют нормирующие преобразователи. Эти приборы обеспечивают информационную связь между датчиком и регулирующим устройством, имеющим унифицированный вход, а также между датчиком и компьютером.

Нормирующие преобразователи не представляют измерительную информацию для визуального контроля, а преобразуют и передают ее другим устройствам в удобном для них виде.

Рассмотрим работу нормирующего преобразователя (НП), вырабатывающего выходной сигнал 0…5 мА.

В основу работы НП положен компенсационный метод измерения термоЭДС с использованием схемы потенциометра с переменной силой рабочего тока. Схема преобразователя приведена на рис. 12.

Рис. 12 Схема нормирующего преобразователя

Контур I содержит корректирующий мост КМ, усилитель У 1 с токовым выходом I вых и резистор R кн . К контуру I проводами F и D подсоединен ТЭП. Корректирующий мост предназначен для введения автоматической поправки на температуру свободного конца ТЭП, а также компенсации начальной термоЭДС в преобразователях, нижний предел измерения которых не равен нулю градусов. К диагонали ab питания моста подведено напряжение постоянного тока от стабилизированного источника питания. Резисторы R 1 , R 2 и R 3 - манганиновые, резистор R М - из медного провода. Усилитель У 1 состоит из двух каскадов: магнитного УМ, выполненного по двухтактной двухполупериодной схеме, и полупроводникового усилителя УП, работающего в режиме усиления постоянного тока. Усилитель У 1 выполняет функции нуль-индикатора.

Контур компенсации II включает в себя R кн и усилитель обратной связи У 2 . Он аналогичен усилителю У 1 , но включен с глубокой отрицательной обратной связью по выходному току усилителя. Выходной ток I ос усилителя У 2 является рабочим током контура II и при прохождении этого тока по резистору R кн на нем создается компенсирующее напряжение

U кн = I ос R кн . (53)

Со стороны контура I к резистору R ab подводится сигнал ТЭП E AB (tt ’ 0), сложенный с напряжением U cd , создаваемым в измерительной диагонали cd корректирующего моста КМ. Это напряжение равно поправке на температуру свободных концов ТЭП, т.е. U cd = E AB (t ’ 0 t 0) . Таким образом, этот суммарный сигнал, равный E AB (tt 0) = E AB (tt ’ 0) + U cd , сравнивается с напряжением U кн . Разбаланс, равный DU = E AB (tt 0) - U кн, подается на усилитель У 1 , где преобразуется в магнитном усилителе УМ в сигнал переменного тока, затем усиливается и вновь преобразуется в сигнал постоянного тока, который дополнительно усиливается в усилителе УП постоянного тока. Выходной сигнал усилителя У 1 создает ток I вых , который поступает во внешнюю цепь R ВН и далее через делитель - в усилитель обратной связи У 2 . Выходной ток I ос усилителя У 2 изменяется и изменяет падение напряжения U кн на резисторе R кн до тех пор, пока разбаланс DU не достигнет некоторой малой величины δU , называемой статической ошибкой компенсации.

Исключить эту ошибку принципиально невозможно, т.к. I вых и I ос определяются наличием этой ошибки и пропорциональны ей. Ошибку можно значительно уменьшить, если использовать усилитель с большим коэффициентом усиления.

В зависимости от диапазона входного сигнала нормирующие преобразователи, работающие в комплекте с ТЭП, имеют классы точности 0,6…1,5.

Термопреобразователи сопротивления

Измерение температуры термопреобразователями сопротивления (ТПС) основано на свойстве металлов и полупроводников менять свое электрическое сопротивление с изменением температуры. Если априорно известна зависимость между сопротивлением R t ТПС и его температурой t [т.е. R t = f(t) - градуировочная характеристика], то, измерив R t , можно определить температуру среды, в которую он погружен.

ТПС позволяют надежно измерять температуру в диапазоне от -260 0 С до +1100 0 С.

К металлическим проводникам ТПС предъявляе

Температурой называется статистическая величина, характеризующая тепловое состояние тела и пропорциональная средней кинематической энергии молекул тела. За единицу температуры принимают кельвин (К). Температура может быть также представлена в градусах Цельсия (°С). Нуль шкалы Кельвина равен абсолютному нулю, поэтому все температуры по этой шкале положительные. Связь между температурами t по Цельсию и T по Кельвину определяется следующим уравнением:

Измерить температуру непосредственно, как, например, линейные размеры, невозможно. Поэтому температуру определяют косвенно - по изменению физических свойств различных тел, получивших название термометрических.

Измерение температуры связано с преобразованием сигнала измерительной информации (температуры) в какое-либо свойство, связанное с температурой.

Для практических целей, связанных с измерением температуры, принята Международная температурная шкала (МТШ-90) (рис. 2.89), которая является обязательной для всех метрологических органов. Она основывается на ряде воспроизводимых состояний равновесия (реперных точек) некоторых веществ, которым присвоены определенные значения температуры.

Рис. 2.89. с реперными точками (подчеркнуты)

Для измерения температуры наибольшее распространение получили следующие методы, основанные:

На тепловом расширении жидких, газообразных и твердых тел (термомеханический эффект);

Изменении давления внутри замкнутого объема при изменении температуры (манометрические);

Изменении электрического сопротивления тел при изменении температуры (терморезисторы);

Термоэлектрическом эффекте;

Использовании электромагнитного излучения нагретых тел.

Приборы, предназначенные для измерения температуры, называются термометрами . Они подразделяются на две большие группы: контактные и бесконтактные.

Контактное измерение температуры .

Термометры расширения нашли широкое распространение в практике контактных измерений температуры. Основные типы механических контактных термометров, их метрологические характеристики, преимущества, недостатки и область применения представлены в табл. 2.18.

Конструктивно подразделяются на палочные (рис. 2.90, а) и технические со вложенной шкалой (рис. 2.90, б). Принцип их действия основан на зависимости между температурой и объемом термометрической жидкости, заключенной в стеклянной оболочке. Жидкостный термометр состоит из стеклянной оболочки 1, капиллярной трубки 3, запасного резервуара 4 и шкалы 2. Термометрическая жидкость заполняет резервуар и часть капиллярной трубки. Свободное пространство в капилляре заполняется инертным газом или из него удаляется воздух.

Рис. 2.90. :

а - палочный; б - технический со вложенной шкалой; 1 - стеклянная оболочка; 2 - шкала; 3 - капиллярная трубка; 4 - запасной резервуар

В качестве термометрической жидкости применяют органические заполнители: толуол, этиловый спирт, керосин, пентан. Наиболее широкое распространение получили термометры с ртутным наполнением. Это объясняется свойствами ртути находиться в жидком состоянии в широком диапазоне температур и не смачивать стекло, что позволяет использовать капилляры с небольшим диаметром канала (до 0,1 мм) и обеспечивать высокую точность измерения. Так, ртутные образцовые термометры 1-го разряда имеют погрешность 0,002...2°С.

Органические заполнители характеризуются более низкой температурой применения, меньшей стоимостью, большей погрешностью измерения.

Стеклянные термометры в зависимости от назначения и области применения подразделяются на образцовые, лабораторные, технические, бытовые, метеорологические.

Лабораторные термометры обеспечивают измерение в интервале температур 0...500°С, который разбит на четыре диапазона, что позволяет получить погрешность измерений, не превышающую ±0,01 °С (0... 60 °С); ±0,02 °С (55... 155 °С); ±0,05°С (140...300 °С) и ±0,1 °С (300...500°С).

В качестве технических применяют только термометры со вложенной шкалой, которые имеют две модификации: прямые и угловые. Допускаемая погрешность обычно равна цене деления. При стационарной эксплуатации в различных точках технологических агрегатов термометры устанавливают в специальных металлических защитных чехлах (кожухах).

Для обеспечения задач позиционного регулирования и сигнализации в лабораторных и промышленных установках применяют специальные электроконтактные технические термометры двух типов:

1) с постоянными впаянными контактами, которые обеспечивают замыкание и размыкание электрических цепей при одной, двух или трех заранее заданных температурах;

2) с одним подвижным контактом (перемещается внутри капилляра с помощью магнита) и вторым неподвижным, впаянным в капилляр, что обеспечивает замыкание и размыкание электрической цепи при любом значении выбранной температуры.

Перемещающаяся в капилляре ртуть размыкает или замыкает цепи между контактами, к которым подводится напряжение постоянного или переменного тока и нагрузка на которые не должна превышать 0,5 мА при напряжении не более 0,3 В.

Биметаллические и дилатометрические термометры основаны на свойстве твердых тел в различной степени изменять свои линейные размеры при изменении их температуры.

В основном металлы и их сплавы относятся к материалам с высоким температурным коэффициентом линейного расширения. Так, для латуни он равен (18,3...23,6)*10 -6 °С -1 , для никелевой стали 20*10 -6 °С -1 . В то же время есть сплавы, имеющие низкий коэффициент линейного расширения: сплав инвар - 0,9*10 -6 °С -1 , плавленый кварц - 0,55*10 -6 °С -1 .

На рис. 2.91, а представлена конструкция биметаллического термометра, в котором в качестве термочувствительного элемента используется двухслойная пластинка, состоящая из металлов с существенно различными коэффициентами линейного расширения: латуни 1 и инвара 2. При увеличении температуры свободный конец пластины будет изгибаться в сторону металла с меньшим коэффициентом, по величине этого перемещения судят о температуре.

Данный тип устройств часто используется как термореле в системах сигнализации и автоматического регулирования, а также в качестве температурных компенсаторов в измерительных устройствах, например в радиационных пирометрах, манометрических термометрах и т. п.

На рис. 2.91, б приведена конструкция чувствительного элемента пневматического дилатометрического преобразователя температуры.

Рис. 2.91. :

а - биметаллический: 1 - латунь; 2 - инвар; б - дилатометрический: 1 - корпус; 2 - стержень; 3 - трубка; 4 - шарик; 5 - толкатель; 6 - пружина; 7 - преобразователь

В корпусе 1, изготовленном из латуни (нержавеющей стали) расположены трубка 3 и стержень 2, выполненный из инвара (кварца). Стержень 2 через трубку 3 и толкатель 5 с помощью пружины 6 постоянно поджимается к нижнему концу корпуса 1. Шарик 4 исключает появление люфтов между стержнем и компенсационной трубкой, которая выполнена также из латуни и предназначена для исключения температурной погрешности при установке на объектах с различной толщиной тепловой изоляции. Изменение разности удлинений корпуса 1 и стержня 2, пропорциональное изменению температуры измеряемой среды, трансформируется в пневматический сигнал в преобразователе 7, усиливается и поступает на регистрирующий прибор.

Дилатометрические преобразователи выпускают и с электрическим выходным сигналом. Класс точности устройств 1,5 и 2,5 с диапазоном измеряемых температур от -30 до +1000 °С.

Жидкостные манометрические термометры (рис. 2.92) основаны на использовании зависимости между температурой и давлением термометрического вещества (газа, жидкости), заполняющего герметически замкнутую термосистему термометра. Термосистема состоит из термобаллона 4, капилляра 5 и манометрической одно- или многовитковой пружины 6. Капилляр 5 соединяет термобаллон с неподвижным концом манометрической пружины. Подвижный конец пружины запаян и через шарнирное соединение 7, поводок 3, сектор 2 связан со стрелкой прибора 1.

Рис. 2.92. :

1 - стрелка; 2 - сектор; 3 - поводок; 4 - термобаллон; 5- капилляр; 6 - пружина; 7 - шарнирное соединение

При изменении температуры среды изменяется давление термометрического вещества в замкнутом пространстве, в результате чего чувствительный элемент (манометрическая пружина) деформируется и ее свободный конец перемещается. Данное перемещение преобразуется в поворот регистрирующей стрелки относительно шкалы прибора.

В зависимости от термометрического вещества манометрические термометры подразделяются на газовые, конденсационные и жидкостные.

В газовых термометрах термобаллон, капилляр и манометрическая пружина заполняются каким-либо инертным газом (азотом, гелием и др.). Диапазон измерения весьма широк и лежит в пределах от критической температуры газа (азот - 147 °С, гелий - 267 °С) до температуры, определяемой теплостойкостью материала термобаллона.

В конденсационных термометрах насыщенные пары некоторых низкокипящих жидкостей (ацетон, метилхлорид, этилхлорид) меняют давление при изменении температуры. Диапазон измерения этих приборов от 0 до +400 °С при погрешности измерений ±1 %.

В жидкостных термометрах термосистема заполнена хорошо расширяющейся жидкостью (ртутью, керосином, лигроином и др.). Диапазон измерения этих приборов от -30 до +600 °С при погрешности измерений ±1 %.

На показания манометрических термометров значительное влияние оказывают внешние условия: изменения температуры окружающего воздуха, различная высота расположения термобаллона и пружины, колебания атмосферного давления.

Манометрические термометры имеют ограниченную длину линии связи от термобаллона к показывающему прибору, большую инерционность и динамическую погрешность.

Класс точности манометрических термометров 1,0; 1,5; 2,5 и 4,0 при работе в интервале температур окружающего воздуха от 5 до 50 °С и относительной влажности до 80 %.

Манометрические термометры применяют для измерения температуры охлаждающей воды, воздуха, жидкого и газообразного топлива, на установках для заправки и т. п.

Термометры сопротивления .

Термометр сопротивления состоит из чувствительного элемента в виде терморезистора, защитного чехла и соединительной головки.

Принцип действия чувствительного элемента основан на использовании зависимости электрического сопротивления вещества от температуры. В качестве материалов для их изготовления используют чистые металлы: платину, медь, никель и полупроводники. Платина является основным материалом для изготовления термометров сопротивления. В качестве чувствительного элемента в полупроводниковых термометрах сопротивления используют германий, окиси меди и марганца, титана и магния.

Основные метрологические характеристики термометров сопротивления, их принципиальные схемы, преимущества, недостатки и область применения представлены в табл. 2.19.

Для решения различных задач термометры сопротивления подразделяются на эталонные, образцовые и рабочие, которые, в свою очередь, подразделяются на лабораторные и технические.

Эталонные термометры сопротивления предназначены для воспроизведения и передачи шкалы МПТШ в интервале 13,81... ...903,89 К. В качестве эталонных, образцовых и лабораторных приборов повышенной точности применяют платиновые термометры сопротивления.

Технические термометры сопротивления в зависимости от конструкции подразделяются: на погружаемые, поверхностные и комнатные; защищенные и не защищенные от действия агрессивной среды; стационарные и переносные; термометры 1-го, 2-го и 3-го класса точности и т.д.

Одна из конструкций промышленных термометров сопротивления, используемых для измерения температур жидких и газообразных сред, представлена на рис. 2.93, а. Термометр состоит из чувствительного элемента 5, расположенного в стальном защитном кожухе 3, на котором приварен штуцер 2. Провода 9, армированные фарфоровыми бусами 4, соединяют выводы чувствительного элемента 5 с клеммной колодкой б, находящейся в корпусе головки 1. Сверху головка 1 закрыта крышкой 10, снизу имеется сальниковый ввод 7, через который осуществляется подвод монтажного кабеля 8.

Чувствительный элемент термометра сопротивления (рис. 2.93, б) выполнен из металлической тонкой проволоки толщиной 0,03...0,1 мм с безындукционной каркасной или бескаркасной намоткой.

Рис. 2.93. :

а - конструкция термометра: 1 - корпус головки; 2 - штуцер; 3 - защитный кожух; 4 - фарфоровые бусы; 5 - чувствительный элемент; 6 - клеммная колодка; 7 - сальниковый ввод; 8 - монтажный кабель; 9 - провода; 70 - крышка; б - конструкция чувствительного элемента термометра: 1 - глазурь; 2 - пространство; 3 - каркас; 4 - платиновые спирали; 5 - выводы

В качестве каркаса для платиновых термометров применяют плавленный кварц и керамику на основе окиси алюминия. В каналах каркаса 3 расположены четыре (или две) последовательно соединенные платиновые спирали 4. К верхним концам спиралей припаяны выводы 5, выполненные из платины или сплава иридия с радием. Пространство 2 между спиралями и каркасом заполнено порошком окиси алюминия. Крепление спиралей и выводов в каркасе производится глазурью 1.

При применении термометров сопротивления о температуре можно судить по изменению электрического сопротивления его чувствительного элемента, падению напряжения на нем при постоянном токе или значению тока при постоянном напряжении.

Наибольшее распространение получила первая схема, когда изменение сопротивления служит мерой температуры (рис. 2.94). В этом случае терморезистор 1 включают в одну из диагоналей моста последовательно с регулировочным резистором Rv, служащим для приведения к определенному значению сопротивления подводящих проводов. Показания гальванометра 3, включенного в диагональ моста, зависят также от напряжения питания моста, для поддержания постоянства которого в цепь питания включен регулировочный резистор.

Рис. 2.94. :

1 - терморезистор (термометр сопротивления); 2 - уравнительный резистор RA; 3 - гальванометр; 4 - измерительный мост с резисторами Rv, R2, R3, Я4, RA; 5 - источник питания; 6 - регулировочный резистор Rv

Термоэлектрические термометры состоят из термопары, защитного чехла и соединительной головки, они основаны на термоэлектрических свойствах чувствительного элемента.

Сущность термоэлектрического метода заключается в возникновении электродвижущей силы в спае двух разнородных проводников (например, хромель - копель), температура которого отличается от температуры вторых выводов. Для получения зависимости термоЭДС от одной температуры t2 необходимо температуру t1 поддерживать на постоянном уровне, обычно при 0 или +20 °С. Спай, помещаемый в измеряемую среду, называют горячим, или рабочим, концом термопары, а спай, температуру которого поддерживают постоянной, - холодным, или свободным, концом.

Для увеличения чувствительности термоэлектрического метода измерения температуры в ряде случаев применяют термобатарею: несколько последовательно включенных термопар, рабочие концы которых находятся при температуре t2, а свободные - при известной и постоянной температуре t1.

Основные метрологические характеристики термоэлектрических термометров, их принципиальные схемы, преимущества, недостатки и область применения см. в табл. 2.19.

В качестве термопар (ТП) наиболее часто применяют комбинации материалов, имеющих высокое значение развиваемой термо- ЭДС, стабильность характеристик при различных температурах, воспроизводимость и линейную зависимость термоЭДС от температуры, простоту технологической обработки и получения спая, а именно: хромель-копелевые (TBP), хромель-алюмелевые (TXK)[L], платинородий-платиновые (ТХА)[К], вольфрам-рениевые (Tnn)[S] и др. В квадратных скобках приведены условные обозначения номинальных статистических характеристик преобразования. Наиболее точной является термопара ТПП, которая используется в качестве рабочих эталонов и образцовых термометров 1-го, 2-го и 3-го разряда.

Основные характеристики термоэлектрических термометров представлены в табл. 2.20.

На рис. 2.95 показана конструкция термоэлектрического термометра. Термопара 7 установлена в защитный кожух 6. В головке 2 термометра расположено контактное устройство 1 с зажимами для соединения термоэлектродов 3 с проводами, идущими от измерительного прибора к термометру. Термоэлектроды по всей длине изолированы друг от друга и от корпуса керамическими трубками 5. В качестве термоэлектродов используют проволоку диаметром 0,3...0,5 мм.

Рис. 2.95. :

1 - контактное устройство; 2 - головка; 3 - термоэлектроды; 4 - штуцер; 5 - керамические трубки; В - защитный кожух; 7 - термопара

Спай на рабочем конце термопары 7 образуется сваркой, пайкой или скручиванием. Последний способ используется для вольфрам-рениевых и вольфрам-молибденовых термопар.

Для измерения возникающей термоЭДС в контур термопары в холодный спай (рис. 2.96, а) или в разрыв одного из термоэлектродов (рис. 2.96, б) с помощью проводов С включают измерительный прибор ИП. В первом случае (см. рис. 2.96, а) в схеме присутствуют три спая: горячий 2 и два холодных (1 и 3), во втором случае (см. рис. 2.96, б) в схеме - четыре спая: горячий 4, холодный 1 и нейтральные 2 и 3, причем температура последних t3 должна быть одинаковой.

Рис. 2.96. :

а: 1 и 3 - холодные спаи; 2 - горячий спай; 6: 1- холодный спай; 2 и 3 - нейтральные спаи; 4 - горячий спай

В схеме уравновешивающего преобразования (рис. 2.97) уравновешивание ЭДС термопары осуществляется за счет сигнала с мостовой схемы, управляемой двигателем Д.

Рис. 2.97. :

R1-R8 - сопротивления компенсационного моста; R1, R3 - терморезисторы; R9, R10 - сопротивления делителя напряжения; ТП - термопары; С - конденсатор; У - усилитель; Д - двигатель; ОУ- отсчетное устройство излучения

Компенсация методических погрешностей в термоэлектрических термометрах, обусловленных изменением температуры холодного спая, осуществляется путем применения мостовых схем с термосопротивлением, питаемых стабилизированным постоянным напряжением.

Бесконтактное измерение температуры .

О температуре нагретого тела можно судить на основании измерения параметров его теплового излучения, представляющего собой электромагнитные волны различной длины. Термометры, действие которых основано на измерении теплового излучения, называются пирометрами. Они позволяют измерять температуру в диапазоне от 100 до 6000 °С и выше.

Физические тела характеризуются либо непрерывным спектром излучения (твердые и жидкие вещества), либо избирательным (газы). Участок спектра в интервале длин волн 0,02...0,4 мкм соответствует ультрафиолетовому излучению, участок 0,4... 0,76 мкм - видимому излучению, участок 0,76... 400 мкм - инфракрасному излучению. Интегральное излучение - это суммарное излучение, испускаемое телом во всем спектре длин волн.

Монохроматическим называется излучение, испускаемое при определенной длине волны.

На основании законов излучения разработаны пирометры следующих типов:

Суммарного (полного) излучения, в которых измеряется полная энергия излучения;

Частичного излучения (квазимонохроматические), в которых измеряется энергия в ограниченном фильтром (или приемником) участке спектра;

Спектрального отношения, в которых измеряется интенсивность излучения фиксированных участков спектра.

В пирометрах полного излучения оценивается не менее 90 % суммарного потока излучения источника. При измерении температуры реального тела пирометры этого типа показывают не действительную, а так называемую радиационную температуру тела.

Поэтому эти пирометры называются радиационными. При известном суммарном коэффициенте черноты тела возможен пересчет с радиационной температуры тела на его действительную температуру. Исходя из этого, пирометры полного излучения удобно использовать при измерениях разностей температур в неизменных условиях наблюдения в диапазоне 100...3 500°С. Основная допустимая погрешность в технических пирометрах возрастает с увеличением верхнего предела измерения температуры. Так, для 1000 °С - ±12 %, для 2000 °С - ±20 %.

Рис. 2.98. :

1 - линза; 2 - диафрагма; 3 - приемник излучения; 4 - окуляр; 5 - фильтр; ОУ - отсчетное устройство

В радиационном пирометре (рис. 2.98) лучи нагретого тела поступают на линзу 1, которая направляет их через диафрагму 2 на приемник излучения 3. Приемник излучения состоит из большого числа термопар (термобатарея), горячие спаи которых выполнены в виде секторных тонких пластинок. Сигнал с термопар, соединенных последовательно, подается на отсчетное устройство ОУ. Через окуляр 4 с фильтром 5 производится наведение пирометра на объект измерения. Основные метрологические характеристики приемников полного излучения, их принципиальные схемы, основные преимущества, недостатки и область применения представлены в табл. 2.21.

Они подразделяются на электрические (термобатареи, болометры, тепловые индикаторы, пироэлектрические кристаллы), пневматические (детектор Голея) и оптические (жидкие кристаллы). Наибольшая чувствительность (10 5 В*Вт -1) у пневматических приемников. У электрических она составляет от 10 -4 до 10 3 В*Вт -1 .