Измерение температуры

Измеряется в системе СИ в [^оК] (градус Кельвина).

Внесистемные единицы: [^оС] (Цельсия), [^оF] (Форенгейта), [^оR] (Рейнольдца). Т^оК = (t + 273,16)^оC.

Область измерения температуры условно разбивается на две части: термометрия (до 600 ^оС) и пирометрию (свыше 600 ^оС). Поэтому и приборы носят название термометров и пирометров.

Различают следующие виды приборов:

- термометры расширения (200-500 ^оС)

- манометрические термометры (-60-600 ^оС)

- термометры сопротивления (-200-650 ^оС)

- термоэлектрические термометры (-50-1600 ^оС)

- пирометры излучения (свыше 1000 ^оС).

Измерить температуру можно только путем сравнения степени нагретости двух тел, когда степень одного из них известна. Для этого используется какое-нибудь свойство тела, зависящее от температуры и легко поддающееся измерению.

Термометры расширения. Принцип действия основан на свойстве жидкостей и твердых тел изменять свой объем и размеры в зависимости от температуры.

Среди них различают: жидкостные (стеклянные) и механические.

У жидкостных по высоте столбика жидкости (в мм), помешенной в тонкую трубку (капилляр), судят о величине температуры. Приращение высоты столбика определяют уравнением ;

где V - объем жидкости в термобалоне при t₁;

d - внутренний диаметр капиляра; a_ж, a_с - температурные

коэффициенты объемного расширения жидкости и стекла;

t₁, t₂ - начальная и конечная температуры нагревания.

Среди данных устройств имеются и электроконтактные. Но жидкостные термометры непрактичны из-за подверженности биению.

Механические термометры подразделяются на дилатометрические и биметаллические. Принцип действия основан на изменении линейных размеров (удлинения) твердых тел при изменении температуры. Линейные размеры тел определяются следующим уравнением: ,

где l₀ - первоначальная длина тела;

β – средний температурный коэфф-нт линейного расширения материала;

D t - изменение температуры.

Дилатометрический термометр представляет собой закрытую с одного конца трубку 1, выполненную из материала с высоким коэффициентом линейного расширения (медь, алюминий, латунь), в которую вставлен стержень 2 из материала с малым коэффициентом. При нагревании они удлиняются на различную величину, что приводит к перемещению рычага и далее стрелки прибора.

Биметаллический термометр разновидность первого. В нем чувствительный элемент выполнен в виде пластинки или спирали из биметалла. Биметалл 1 представляет собой материал, сваренный из двух слоев с различными коэффициентами линейного расширения. При нагреве биметаллического элемента происходит изгиб в сторону металла с меньшим коэффициентом, а при охлаждении наоборот. При изгибе происходит перемещение передаточного механизма, который воздействует на стрелку прибора.

Достоинства: простота конструкции и небольшие размеры. Недостатки: малая точность из-за "усталости" пружины.

Манометрические термометры. Принцип действия основан на изменении давления жидкости или газа в заполненном рабочем объеме в зависимости от температуры. Выполнен в виде упругого элемента 1, соединенного капиллярной трубкой 2 с термобаллоном 3 (заполняется: газами - азот, жидкостями - ртуть, паровоздушными смесями - ацетон, бензол, фреон). При увеличении температуры жидкость начинает испарятся - давление растет, что приводит к перемещению упругого элемента.

Газовые термометры имеют линейную шкалу, у жидкостных шкала нелинейная. Для газовых приборов имеется следующая зависимость (основана на законе Шарля) ,

где p₀ - давление рабочего вещества при t₀;

β; - термический коэффициент расширения газа,

равный 1/273,16 °С

t₀, t - начальная и конечная температуры.

Для жидкостных ,

где α; - температурный коэффициент объемного

расширения жидкости;

m - коэффициент сжимаемости жидкости;

D t - изменение температуры.

Достоинства: простота конструкции и надежность. Недостатки: большие размеры, отсюда - инерционность.

 

Термометры сопротивления

Измерение температуры термометрами сопротивления основано на изменении электрического сопротивления проводника или полупроводника в зависимости от его температуры.

Электрическое сопротивление проводников и полупроводников представляет собой некоторую функцию его температуры . Вид этой функции зависит от природы материала и определяется экспериментально (путем градуировки термометра сопротивления). При увеличении температуры сопротивление проводников возрастает, а полупроводников - снижается. Измеряя сопротивление нагретого проводника, можно определить температуру среды, где он находится. В промышленных условиях наиболее широко применяются медные и платиновые термометры сопротивления ТСП и ТСМ Различают: проводниковые и полупроводниковые.

Наиболее распространены проводниковые, которые представляют собой герметизированную трубку 4, внутри которой находится чувствительный элемент 1 - бескаркасная намотка медного или платинового провода, изолированного цементным 3 или керамическим порошком с глазурью. Имеется спайка 5 спиралей и выводы 2.

По сравнению с манометрическими термометрами более высокая точность. Недостаток - необходимость постороннего источника тока, для измерения активного сопротивления.

 

Термоэлектрические преобразователи (термопары). В основу из­мерения т. преобразователями положен термоэлектрический эффект, заключающийся в том, что в замкнутой цепи, состоящей из двух или нескольких разнородных проводников, возникает электрический ток, если хотя бы два места соединения (спая) проводников имеют разные температуры.

Спай с температурой t - рабочий спай. Спай с температурой t₀ - свободный (холодный) спай.

За счет диффузии электронов в металл с меньшим их количеством (например в В) металл А будет заряжаться положительно, а металл В отрицательно. В однородном проводнике электроны будут диффузировать из более нагретой части в менее нагретую часть (более нагретые заряжаться положительно, менее нагретые - отрицательно.

Суммарную термоэлектродвижущую силу (ТЭДС) замкнутой цепи преобразователя, спаи которого нагреты до температур t и t₀, можно выразить следующим уравнением Е(tt₀) = e_АВ(t) – e_АВ(t₀) (1)

где Е(tt₀) - суммарная ТЭДС преобразователя

e_АВ(t), e_АВ(t₀) – потенциалы, возникающие в спаях.

Т.к. потенциалы спаев зависят от температуры, то можно записать

Е(tt₀) =f(t) – f(t₀) (2)

Поддерживая температуру одного из спаев постоянной, т.е., пологая, что t₀ = const, получим Е(tt₀) =f(t) – const или Е(tt₀) =f(t) (3).

Если для данного термопреобразователя (ТЭП) экспериментально найдена зависимость (3), то измерение температуры сводится к определению ЭДС термометра.

При введении в цепь ТЭП третьего проводника ТЭДС не изменяется, если концы проводника имеют одинаковые температуры. Градуируется преобразователь при t₀ = 0 ⁰С, реже при t₀ = 20 ⁰С. Однако, измерения проводятся, как правило, при других температурах. Поэтому при определении температуры вносят поправку по уравнению (3). Величину поправки можно получить для конкретного ТЭП по градуировочным таблицам.

Любая пара разнородных проводников может образовать ТЭП. Однако не каждый из них пригоден для практического использования, т.к. технологические условия предъявляют к материалам определенные условия. Основными являются: устойчивость к воздействию высоких и низких температур, постоянство ТЭДС во времени, возможно большая ее величина и однозначная зависимость ее от температуры, большая электропроводимость и др.

На практике применяют следующие термопары:

- платиновые (палладий) (ТПП) – (от -20 до 1300 ⁰С) (д: постоянство ТЭДС)

- платинородиевые (ТПР) - (от 300 до 1300 ⁰С)

- хромель-алюминиевые (ТХА) - (от -50 до 1300 ⁰С) (д: стойкие к окислению и корозии)

- хромель-капелиевые (ТХК) - (от -50 ⁰С до 600 ⁰С) (д: развивает наибольшую ТЭДС)