К атегория:

Термическая обработка

Приборы и методы измерения температуры

В высокочастотной технике чаще применяются электрические методы измерения температуры, хотя в некоторых случаях может оказаться целесообразным применение неэлектрических методов, и поэтому они заслуживают упоминания.

Вся область измерения температуры условно делится на две части - термометрию, включающую определение температуры до 500-600 °С приборами (термометрами), и пирометрию, охватывающую измерение более высоких температур приборами, называемыми пирометрами.

Различают пять групп приборов для измерения температуры со следующими верхними пределами их применения:
— термометры расширения – 550 °С
— манометрические термометры – 550 °С
— электрические термометры сопротивления – 500 °С
— термоэлектрические пирометры – 1600 °С
— пирометры излучения (включая фотопирометры, для которых верхний предел практически не ограничен) – 2000 °С

Термометры расширения. Примером термометров расширения могут служить жидкостно-стеклянные термометры, широко применяемые для измерения температур в пределах от -80 до -(-500 °С - в случае изготовления из специального термометрического стекла и до +700 °С - при изготовлении из плавленого кварца.

Принцип действия жидкостно-стеклянных термометров основан на тепловом расширении жидкости, называемой обычно рабочим веществом термометра. В качестве рабочего вещества применяют ртуть, толуол, этиловый спирт, петролейный эфир, пентан и др.

Ртутные термометры обладают рядом преимуществ перед термометрами с другими жидкостями. Так, ртуть не смачивает стекла, что увеличивает точность отсчета показаний, имеет меньшую теплоемкость по сравнению с органическими жидкостями примерно в 12 раз, благодаря чему ртутные термометры менее инерционны.

Для целей технологической сигнализации и для применения в простейших схемах регулирования температуры изготовляются контактные ртутные термометры.

Различают термометры одноконтактные и двухконтактные. Первые обеспечивают замыкание электрического. контакта на фиксированной отметке шкалы, вторые - на любой отметке.

В цепи контактных термометров при 3-4 включениях в минуту допускается максимальный переменный ток, равный 1 а при напряжении 6 в.

К недостаткам жидкостно-стеклянных термометров следует отнести их хрупкость, невозможность дистанционной передачи показаний, большую термическую инерцию и затруднительность отсчета показаний из-за нечеткости шкалы и плохой видимости столбика жидкости в капилляре.

К термометрам расширения относятся также дилатометрические и биметаллические термометры.

Принцип действия дилатометрических и биметаллических термометров основан на изменении линейных размеров твердых тел в зависимости от изменения их температуры.

Термометры, основанные на расширении твердых тел, для измерительных целей используются сравнительно редко. Шире применяются температурные реле, основанные на этом принципе, имеющие своим назначением электрическую сигнализацию предельных температур, а также работу в схемах автоматических регуляторов температуры. Биметаллические термометры используются, кроме того, как компенсаторы влияния температуры в некоторых измерительных приборах.

Манометрические термометры. Манометрические термометры являются техническими приборами для измерения температуры в пределах от -50 до +550 °С в различных областях техники. Они имеют основную погрешность измерения, не превышающую + 1,5%.

Устройство манометрического термометра показано на рис. 1. Прибор состоит из термобаллона, погружаемого в среду с измеряемой температурой, капилляра и показывающего прибора, устройство которого не отличается от устройства обычного манометра. Герметически закрытая система, состоящая из термобдллона, капилляра и трубчатой пружины манометра, заполнена рабочим веществом, например, азотом. При нагревании термобаллона давление азота внутри системы увеличивается и трубчатая пружина несколько выпрямляется. Движение конца пружины вызывает поворот стрелки, указывающей на шкале прибора измеряемую температуру.

Манометрические термометры выполняются показывающими и самопишущими. Производятся также контактные манометрические термометры для целей электрической сигнализации предельных температур.

Преимуществами манометрических термометров по сравнению с жидкостно-стеклянными являются возможность автоматической записи показаний, возможность установки вторичного прибора на некотором расстоянии от места измерения благодаря наличию длинного (до 60 м) гибкого капилляра, соединяющего его с первичным прибором (термобаллоном), а также большая механическая прочность.

Общим недостатком этих приборов является большая термическая инерция и трудности ремонта при нарушении герметичности системы.

Термометры сопротивления. Термометры сопротивления представляют собой устройство, состоящее из тепловоспринимающей части, электроизмерительного прибора и источника тока.

Рис. 1. Манометрический термометр: 1 1 - термобаллон; 2 - капилляр; 3 - трубчатая пружина

Действие этого устройства основано на свойстве металлов увеличивать свое электрическое сопротивление при повышении температуры, вследствие чего изменяется ток в цепи, составленной из тепловоспринимающей части, источника тока и измерительного прибора. Тепловоспринимающая часть, или чувствительный элемент, термометра сопротивления представляет собой тонкую проволоку, намотанную на каркас из изоляционного материала. Длина чувствительного элемента термометра сопротивления составляет несколько сантиметров, и поэтому он измеряет температуру не в отдельной точке, а некоторую среднюю температуру тех слоев среды, которые находятся в области его расположения.

Электроизмерительными приборами, работающими в комплекте термометра сопротивления могут служить:
а) уравновешенный измерительный мост (простой или автоматический;
б) неуравновешенный измерительный мост;
в) логометр.

К металлам, применяемым для изготовления чувствительных элементов термометров сопротивления, предъявляются следующие требования:
1) большой температурный коэффициент сопротивления;
2) большое удельное сопротивление;
3) постоянство химических и физических свойств;
4) легкость получения одинаковых свойств.

Этим требованиям удовлетворяют чистые металлы: платина, медь, никель и железо.

Технические термометры сопротивления изготовляются преимущественно из платины, меди и в очень ограниченном количестве из никеля (условные обозначения ЭТП , ЭТМ и ЭТН ). В СССР серийно выпускаются термометры сопротивления с чувствительными элементами из платины и меди.

Платиновые термометры предназначаются для измерения температур в интервале от - 200 до + 500 °С. Медные термометры сопротивления применяются для длительного измерения температур в интервале от -50 до -4-100 °С. При более высоких температурах (до 150 °С) медные термометры могут быть использованы только для кратковременных измерений.

Термометры каждого типа-ЭТП, ЭТМ и ЭТН - по ГОСТ 6651-53 могут изготовляться различных разновидностей.

По условиям эксплуатации различают термометры стационарные и переносные; по числу чувствительных элементов - термометры с одним выводом и с несколькими; по числу выводных проводников от каждого чувствительного элемента - термометры с двумя, тремя и четырьмя проводниками; по степени инерционности различают термометры большой инерционности БИ, обыкновенной инерционности ОИ и малой инерционности МИ.

К достоинствам термометров сопротивления относятся:
1) высокая степень точности измерения температуры;
2) возможность градуировки шкалы прибора на любой температурный интервал в пределах допустимых температур;
3) возможность дистанционной передачи показаний и централизации контроля температуры путем присоединения нескольких термометров сопротивления через переключатель к одному измерительному прибору;
4) возможность автоматической записи измеряемой температуры.

Наиболее широко в комплекте с техническими термометрами сопротивления применяются магнитоэлектрические логометры, у которых отсчитывают температуру непосредственно по шкале и показания которых в известных пределах не зависят от колебаний напряжения источников тока.

В настоящее время в СССР распространены следующие приборы: ЛПБ-логометр профильный большой; ЛМПУ - логометр магнитоэлектрический профильный утопленного монтажа; CJIM - самопишущий логометр на 1, 3 или 6 точек измерения и записи.

Термоэлектрические пирометры. Термоэлектрический пирометр состоит из теплочувствительного элемента - термопары - и измерителя т. э. д. с. (термоэлектродвижущей силы).

Измерение температуры при помощи термопары основано на явлении, состоящем в том, что нагревание места спая проволок из разных металлов вызывает появление т. э. д. е., которая (при постоянной температуре холодных концов, называемых также, иногда свободными концами термопары) зависит только от температуры горячего спая (называемого иногда также рабочим спаем или рабочим концом термопары) и материала взятых проволок. Геометрические размеры и форма проволок на величину т. э. д. с. совершенно не влияют.

Зависимость т. э. д. с. термопары от температуры горячего спая определяется экспериментально путем градуировки при температуре свободных концов, равной t0 = 0 °С, и дается в виде таблицы или графика.

Для измерения т. э. д. с. к свободным концам термопары (рис. 22, а) или в разрыв одного из электродов (рис. 22, б) присоединяется магнитоэлектрический милливольтметр.

Включая прибор, мы тем самым вводим в цепь термопары третий проводник С, отличающийся по своей природе от проводников А и В.

Можно показать, что термоэлектродвижущая сила термопары не изменится от введения в ее цепь нового проводника, если только температуры концов этого проводника одинаковы. При таком условии схемы включения измерительного прибора а и б равноценны и отличаются только тем, что, кроме горячего спая, в одном случае имеются два холодных спая, а во втором - один холодный и два нейтральных.

Рис. 2. Включение прибора в термоэлектрическую цепь: а - вхолоднщй спай; б - в электрод

В качестве термоэлектродов, т. е. проводников, из которых составляется термопара, применяются металлы и сплавы, развивающие сравнительно большие т. э. д. с. Это дает возможность применять менее чувствительные, а следовательно, более надежные в эксплуатации приборы, служащие для измерения т. э. д. с.

Оценку величины т. э. д. с. различных термопар можно произвести, пользуясь термоэлектрическим рядом табл. 3, в которой приведены значения т. э. д. с. металлов и сплавов в паре с платиной при температуре горячего спая 100 °С и холодного спая 0 °С.

Т. э. д. с. любой пары из этого ряда получается алгебраическим вычитанием т. э. д. с. одного электрода из т. э. д. с. другого.

Важнейшим требованием, предъявляемым к термопаре, является постоянство ее термоэлектрической характеристики. В настоящее время для четырех различных типов термопар установлены стандартные градуировочные характеристики (ГОСТ 3044-45 и ГОСТ 6071-51).

По конструктивному выполнению термопары весьма разнообразны. В зависимости от назначения они выполняются с различной защитной арматурой, не меняющей градуировки термопары, но увеличивающей ее термическую инерцию.

В качестве вторичного измерительного прибора в комплекте с термопарой могут применяться показывающие, самопишущие или контактные милливольтметры или автоматические потенциометры. Для записи быстротекущих процессов нагрева может быть применен магнитоэлектрический осциллограф с чувствительным шлейфом.

Пирометры, основанные на использовании методов измерения температур тел по их излучению. Измерение температур тел по интенсивности их излучения осуществляется бесконтактным способом, не искажающим температурного поля объекта измерения, чем этот метод существенно отличается от методов, основанных на применении термоприемников, которые должны находиться в непосредственном контакте с телом, температуру которого измеряют.

Методы измерения температуры тел по интенсивности излучения основываются на следующих физических предпосылках:
1) с изменением температуры тела изменяется интенсивность излучения;
2) с изменением температуры тела интенсивность излучения меняется не только количественно, но и качественно, иначе говоря, изменяется состав лучистого потока, т. е. количественное соотношение лучей различных длин волн.

В соответствии с этими положениями различают три метода измерений:
1) радиационный, основанный на измерении суммарной мощности излучения нагретого тела;
2) оптический (монохроматический, яркостной), основанный на измерении мощности излучения для заданной длины волны;
3) цветовой, основанный на измерении отношения мощностей излучения для двух заданных длин волн и

На рис. 23 приведены кривые интенсивности излучения для абсолютно черного тела, которые показывают, что:
1) суммарная или интегральная мощность излучения (площадь, ограниченная кривой для соответствующей температуры и осью абсцисс) быстро растет с ростом температуры (закон Стефана - Больцмана);
2) максимум интенсивности излучения по мере роста температуры перемещается в область более коротких волн (закон Вина).

Полная, или интегральная, энергия излучения абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени температуры этого тела. Очевидно, измерив полную энергию излучения, мы можем определить температуру тела,

Рис. 3. Зависимость интенсивности лучеиспускания абсолютно черного тела от длины волны и абсолютной температуры

Такой метод измерения температуры носит название радиационного метода, а приборы, основанные на принципе измерения интегральной энергии излучения, называются радиационными пирометрами.

Радиационный пирометр, проградуированный по абсолютно черному телу, при измерении температуры физического тела (не абсолютно черного) будет давать заниженные показания, так как излучательная способность физических тел всегда меньше излу-чательной способности абсолютно черного тела. Эти показания могут быть исправлены, если известен коэффициент интегральной излучательной способности, представляющий отношение интегральной энергии излучения физического тела к интегральной энергии

излучения абсолютно черного тела при одной и той же температуре.

Для физических тел этот коэффициент всегда меньше единицы. Величина его зависит от материала тела, состояния поверхности, температуры и других факторов. Практически физическое тело излучает как абсолютно черное лишь в одном случае, когда оно находится в закрытой печи, внутренняя поверхность которой имеет ту же температуру, что и находящееся там тело. Глазок в печи может быть принят за абсолютно черное тело. В этом случае радиационный пирометр будет измерять истинную температуру.

Радиационные пирометры (рис. 4) различных конструкций состоят из двух основных частей: телескопа и измерительного прибора (показывающего или самопишущего).

Оптическая система телескопа концентрирует энергию излучения нагретого тела на термоприемнике. Термоприемник, помещенный внутри телескопа, обычно представляет собой миниатюрную термобатарею, т. э. д. с. которой служит мерой температуры нагретого тела.

В комплекте с радиационным пирометром могут применяться различного типа показывающие и самопишущие милливольтметры, а также лабораторные и автоматические потенциометры.

Оптический метод (монохроматический, яркостной) основан на определении интенсивности излучения нагретого тела, соответствующей вполне определенной длине волны. Практически в приборах используется излучение в некотором узком диапазоне длин волн от X до X f АХ. Обычно выбирают X = 0,65 мк из тех соображений, что к более длинным волнам человеческий глаз уже не восприимчив, волны же короче 0,65 мк могут быть срезаны при помощи красного светофильтра.

Рис. 4. Схема устройства радиационного пирометра: 1 - объектив; 2 - диафрагму; 3 - экран; 4- термобатарея; 5 - красный светофильтр; 6 - окуляр; 7 - гальванометр

Оптический пирометр, проградуированный по абсолютно черному телу, будет показывать при измерении температуры физических тел не действительную, а так называемую яркостную, или черную монохроматическую, температуру, так как коэффициент монохроматической излучательной способности, представляющий отношение интенсивности излучения физического тела и интенсивности излучения абсолютно черного тела в лучах заданной длины волны при одной и той же температуре, всегда меньше единицы.

Рис. 5. График поправок к оптическому пирометру

Для многих материалов коэффициенты монохроматической излучательной способности хорошо изучены. Пользуясь данными этой таблицы и кривыми поправок на неполноту излучения (рис. 5), можно определить поправку к яркостной температуре (показание оптического пирометра). Эту поправку следует прибавить к яр костной температуре для того, чтобы получить истинную.

Рис. 6. Схема устройства оптического пирометра: 1 - объектив; 2 - лампа накаливания; 3 - красный светофильтр; 4 - окуляр; 5 - реостат; 6 - аккумулятор; 7 - гальванометр;

Принцип действия прибора Изображение источника излучения, температуру которого хотят измерить, с помощью объектива получается в плоскости нити пирометрической лампочки. Наблюдатель, глядя в окуляр через красный светофильтр, видит нить лампочки, проектирующейся на фоне изображения источника излучения. Меняя положение движка реостата, можно установить такую силу тока пирометрической лампочки, при которой нить «исчезает» на фоне изображения. Это происходит в тог момент, когда яркость нити лампочки будет равна яркости изображения источника излучения. Соответствующая этому равенству яркостей сила тока отсчитывается по включенному в цепь амперметру, шкала которого обычно градуируется непосредственно в градусах яркостной температуры.

Каждый оптический пирометр имеет специальное устройство для монохроматизации (т. е. выделения одноцветных лучей) пучка лучей, попадающих в глаз наблюдателя. Для этой цели применяются стеклянные светофильтры из специального красного стекла.

Нить пирометрической лампочки стараются не нагревать выше 1500 °С, а измерение более высоких температур осуществляется путем уравнения яркости нити и ослабленной поглощающим фильтром яркости изображения источника излучения.

В соответствии с этим электроизмерительный прибор имеет две градусные шкалы: от 800 до 1400-1500 °С для работы без поглощающего фильтра и до 2000 °С с введенным между лампочкой и объективом поглощающим фильтром.

Оптические пирометры обеспечивают более высокую точность, чем радиационные, но не дают возможности осуществлять непрерывный отсчет температуры или ее автоматическую запись.

Цветовой метод измерения температуры основан на измерении интенсивностей излучения двух выбранных длин волн.

Цветовой метод измерения температуры теоретически является наиболее совершенным. Физические тела, температуру которых приходится измерять, являются чаще всего серыми излучателями, т. е. такими, которые, по сравнению с абсолютно черным телом, излучают слабее во всех частях спектра. Коэффициенты монохроматической излучательной способности этих тел имеют одинаковую величину для лучей любой длины волны. В этом случае отношение интенсивностей излучения не зависит от излучательной способности тела, и цветовой пирометр, проградуированный по абсолютно черному телу, должен показывать действительную температуру серого тела.

Практическое осуществление пирометра, использующего измерение отношения интенсивностей излучения для двух длин волн, оказывается достаточно сложным, поэтому последние не получили еще широкого распространения.

Фотоэлектрические пирометры. В фотоэлектрических пирометрах чувствительным органом, воспринимающим излучение раскаленных тел, является фотоэлемент.

Фотоэлемент представляет собой устройство, меняющее свои электрические свойства в зависимости от количества и качества падающего на его чувствительную поверхность излучения. Важной характеристикой фотоэлементов, применяемых в фотоэлектрических пирометрах, является их спектральная чувствительность, т. е. чувствительность к различным частям спектра излучения.

Фотоэлектрические пирометры можно разделить на три группы. К первой группе следует отнести фотопирометры, в которых используется вся или большая часть спектральной чувствительности фотоэлемента.

Эти фотопирометры реагируют на суммарную энергию излучения нагретого тела. В этом отношении их можно сравнить с радиационными пирометрами. Фотопирометры этой группы, проградуи-рованные по абсолютно черному телу, дают правильные показания лишь при измерении температуры тел, которые могут быть практически приняты за абсолютно черные.

Ко второй группе относятся фотопирометры, в которых так же, как и в оптических пирометрах, используется энергия излучения в узком диапазоне длин волн.

К третьей группе относятся цветовые фотопирометры, действие которых основано на измерении отношения интенсивностей излучения двух заданных длин волн.

В литературе описывается много различных схем и конструкций фотопирометров, однако серийно отечественной промышленностью выпускается только один тип ФЭП -3, предназначенный для измерения температуры прокатываемого металла в прокатных цехах. Прибор дает показания яркостной температуры и выпускается по классу 1.

Для измерения температуры при нагреве деталей или изделий токами высокой частоты может быть использован фотоэлектрический пирометр, разработанный НИИ ТВЧ им. проф. В. П. Вологдина. Головка этого прибора может быть установлена непосредственно на индукторе или отнесена от него на некоторое расстояние. Фотопирометр дает возможность автоматически отключать генератор при нагреве заготовки до заданной температуры.

Общие сведения Температурой называют физическую величину, характеризующую степень нагретости тела. Средство измерений температуры называют термометром. Практически все технологические процессы связаны с температурой, т. к. различные свойства материалов зависят от температуры. В отличие от таких физических величин, как длина, масса и др. температура является не экстенсивной (параметрической), а интенсивной (активной) величиной. Так, если разделить на две равные части гомогенное тело, то его масса делится пополам. Температура, являющаяся интенсивной величиной, таким свойством аддитивности не обладает, т. е. для системы, находящейся в термическом равновесии, любая микроскопическая часть системы имеет одинаковую температуру. Поэтому не представляется возможным создание эталона температуры, наподобие того, как создаются эталоны экстенсивных величин. Измерять температуру можно только косвенным путем, основываясь на зависимости от температуры таких физических свойств тел, которые поддаются непосредственному измерению. Эти свойства тел называют термометрическими. Термометрическими свойствами могут быть изменения: объёма газа или жидкости, электрического сопротивления тел, разности электрического потенциала на границе раздела двух проводящих тел и т. д. Соответствующие этим признакам приборы для измерения температуры (термометры) будут: газовый и ртутный термометры, использующие в качестве датчика термосопротивление или термопару. Вещества, характеризующиеся термометрическими свойствами, называют термометрическими. Другой метод измерения температуры реализован в пирометрах - приборах для измерения яркостной температуры тел по интенсивности их теплового излучения. Методы и средства измерения температуры Череповецкий государственный университет 2

Температурные шкалы Температурные измерения проводиться по температурной шкале. Температурной шкалой называют функциональную числовую связь температуры со значениями измеряемого термометрического свойства. В связи с этим представляется возможным построение температурной шкалы на основе выбора любого термометрического свойства. В то же время нет ни одного термометрического свойства, которое линейно изменяется с изменением температуры и не зависит от других факторов в широком интервале измерения температур, т. е. возможно создание СИ только для определенного диапазона. При разработке температурной шкалы единица измерения в разных температурных диапазонах определяется по так называемым реперным точкам - фиксированным значениям температур, соответствующих либо тройным точкам, либо плавлению, либо затвердеванию чистых веществ, в основном, чистых металлов. Методы и средства измерения температуры Череповецкий государственный университет 3

Температурные шкалы Наиболее часто при получении шкалы температур используются свойства вода. Точки таяния льда и кипения воды при нормальном атмосферном давлении выбраны в качестве реперных точек в современных температурных шкалах, предложенных Андерсом Цельсием (1701 - 1744), Рене Антуаном Фершо Реомюром (1683 - 1757), Даниэлем Габриэлем Фаренгейтом (1686 - 1736). Наиболее простой реализацией реперной точки является применение тающего льда – 0 С. Тройная точка воды - эта реперная точка (0, 0100 0 С), при которой достигается равновесие между тремя фазами воды (твердой, жидкой и газообразной), может быть реализована с весьма высокой точностью. К тому же она не зависит от барометрического давления. Для обеспечения единства измерений температуры в качестве международного стандарта в 1968 году принята Международная практическая температурная шкала МПТШ-68. Текущая версия МПТШ-2005 Методы и средства измерения температуры Череповецкий государственный университет 4

Измерения тепловых величин Сравнение температурных шкал Описание Кельвин Цельсий Фаренгейт Ранкин Делиль Ньютон Реомюр Абсолютный ноль* 0 − 273. 15 − 459. 67 0 559. 725 − 90. 14 − 218. 52 Температура таяния смеси Фаренгейта (соль и лёд в равных количествах) 255. 37 − 17. 78 0 459. 67 176. 67 − 5. 87 − 14. 22 Температура замерзания воды 273. 15 0 32 491. 67 150 0 0 Средняя температура человеческого тела ¹ 310. 0 36. 6 98. 2 557. 9 94. 5 12. 21 29. 6 Температура кипения воды 373. 15 100 212 671. 67 0 33 80 Плавление титана 1941 1668 3034 3494 − 2352 550 1334 Поверхность Солнца 5800 5526 9980 10440 − 8140 1823 4421 * - абсолютный ноль температуры - это минимальный предел температуры, которую может иметь физическое тело. Абсолютный ноль служит началом отсчёта абсолютной температурной шкалы, например, шкалы Кельвина. По шкале Цельсия абсолютному нулю соответствует температура − 273, 15 °C Методы и средства измерения температуры Череповецкий государственный университет 5

Классификация средств измерения температуры Контактные термометры Диапазон измерений Термометры расширения от -100 до 600 ºС Манометрические термометры от -150 до 600 ºС Термоэлектрические термометры (термопары) от -200 до 2000 ºС Термометры сопротивления от -260 до 1100 ºС Бесконтактные термометры Пирометры от 100 до 6000 ºС Радиометры от 50 до 3500 ºС Тепловизоры от -50 до 2000 ºС Методы и средства измерения температуры Череповецкий государственный университет 6

Классификация СИ Контактные приборы и методы по принципу действия разделяются на: 1. Термометры расширения, принцип действия которых основан на зависимости объемного расширения жидкости и линейных размеров твердых тел от температуры; 2. Манометрические термометры, принцип действия которых основан на изменении давления рабочего (термометрнческого) вещества в зависимости от температуры; 3. Термоэлектрические термометры (термопары), принцип действия которых основан на использовании зависимости термоэлектродвижущей силы от температуры; 4. Термометры сопротивления, принцип действия которых основан на зависимости электрического сопротивления чувствительного элемента (проводника или полупроводника) от температуры. Бесконтактные методы, в основе которых лежит регистрация собственного теплового или оптического излучения, можно представить следующими направлениями: 1. Пирометрия - измерение температуры самосветящихся объектов: пламени, плазмы, астрофизических объектов; 2. Радиометрия - измерение температуры по собственному тепловому излучению тел. Для невысоких и комнатных температур это излучение находится в инфракрасном диапазоне длин волн; 3. Тепловидение - радиометрическое измерение температуры с пространственным разрешением и с преобразованием температурного поля в телевизионное изображение, иногда с цветовым контрастом. Позволяет измерять градиенты температуры, температуру среды в замкнутых объемах, например, температуру жидкостей в резервуарах и трубах. Методы и средства измерения температуры Череповецкий государственный университет 7

Контактные приборы. 1. Термометры расширения 1. 1. Жидкостные термометры В ЖТ измеряется относительное расширение жидкости по сравнению с объемом резервуара. Основная часть термометрической жидкости располагается в шарообразном или цилиндрическом резервуаре, который собственно и является чувствительным элементом термометра. Резервуар сообщается с длинным и узким стеклянным капилляром. В качестве термометрической жидкости в большинстве случаев используется химически чистая ртуть. Ртуть не смачивает стекло, легко получается в чистом виде, находится в жидком состоянии в широком диапазоне температур (от - 38, 84 до 356, 58 °С). Стеклянный жидкостный термометр: 1 - резервуар; 2 - капилляр; 3 - термометрическая жидкость; 4 -шкала. Методы и средства измерения температуры Череповецкий государственный университет 8

Контактные приборы. 1. Термометры расширения 1. 1. Жидкостные термометры Диапазон измерения стеклянных жидкостных термометров зависит от свойств термометрической жидкости: Изопентан (-195)…(+35) Нормальный пентан (-130)…(+35) Этиловый спирт (-110)…(+210) Толуол (-90)…(+110) Ртуть - таллий (-60)…(+30) Ртуть в вакууме (-30)…(+150) Ртуть под давлением 10 -15 МПа (-30)…(+630) Допустимая погрешность составляет от 0, 3 до 5 % и зависит от диапазона и цены деления шкалы. Методы и средства измерения температуры Череповецкий государственный университет 9

Контактные приборы. 1. Термометры расширения 1. 2. Дилатометрические термометры - средство измерения температуры, в котором измерение происходит за счет пропорционального удлинения двух твердых тел, обусловленного различием их температурных коэффициентов линейного расширения. Принцип действия: Если в начале рабочего диапазона при начальной температуре - t 0 длина обоих твердых тел одинакова и равна L 0, то возникающая в конце диапазона температура - t. K вызовет удлинение тел и будет равна: 1 2 ΔL = Lн -(k 1 -k 2)*(t. K- t 0) Диапазон измерения термометров от -30 до 1000°С, погрешность 1, 5 - 2, 5%. Обладают высокой надежностью и используются в релейных схемах для контроля перегрева. Методы и средства измерения температуры Череповецкий государственный университет 10

Контактные приборы. 1. Термометры расширения 1. 3. Биметаллические термометры Значительно чаще применяют биметаллические термометры, в которых для индикации температуры также используют различное температурное расширение двух разнородных материалов. Биметаллические термометры могут быть изготовлены весьма малых размеров, в чем состоит их существенное преимущество перед громоздкими дилатометрическими термометрами. Они просты при конструировании поскольку у них мало движущихся частей, их изготовляют в самых разнообразных исполнениях, надежны и дешевы. Биметаллическими термометрами можно измерять температуру от – 50 до + 600 0 С. При температурах до 600 0 С их можно применять лишь кратковременно. Точность составляет от ± 1 до ± 3 %. Методы и средства измерения температуры Череповецкий государственный университет 11

Контактные приборы. Манометрические термометры 5 Принцип действия манометрических термометров основан на зависимости давления рабочего (термометрического) вещества в замкнутом объеме (термосистеме) от температуры. 6 3 4 Замкнутая измерительная система манометрического термометра состоит из чувствительного элемента, воспринимающего температуру измеряемой среды - металлического термобаллона 1, рабочего элемента манометра 3 -6, измеряющего давление в системе и длинного соединительного металлического капилляра 2. При изменении температуры измеряемой среды давление в термобалоне меняется, что деформирует измерительную пружину 3, отклонение которой передается с помощью механизма 4 на стрелку 6. Отчет показаний производится по шкале манометра 5, отградуированного в градусах температуры. Методы и средства измерения температуры 2 1 1 - термобаллон 2 - капиллярная трубка 3 - манометрическая пружина (трубчатая) 4 - передаточный механизм 5 - шкала температур 6 - стрелка прибора Череповецкий государственный университет 12

Контактные приборы. Манометрические термометры подразделяют на три основных разновидности: 1. Газовые, в которых вся измерительная система заполнена инертным газом. 2. Жидкостные, в которых вся измерительная система (термобаллон, манометр и соединительный капилляр) заполнены жидкостью; 3. Конденсационные, 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; 1. Газовые манометрические термометры предназначены для измерения температуры от -150 до +600 °С. Термометрическим веществом здесь служат гелий, аргон или азот. Принцип работы этих термометров основан на использовании закона Гей-Люссака где 0 P и t P -давление газа при температурах 0 и t, °С; β - термический коэффициент давления газа, равный 1/273, 15. Методы и средства измерения температуры Череповецкий государственный университет 13

Контактные приборы. Манометрические термометры 1. Газовые манометрические термометры Для газовых манометрических термометров характерны большие размеры термобаллонов (диаметр 20 -30 мм, а длина 250 -500 мм) и, как следствие этого, их значительная инерционность. Методы и средства измерения температуры Череповецкий государственный университет 14

Контактные приборы. Манометрические термометры 2. Жидкостные манометрические термометры В жидкостных манометрических термометрах систему заполняют термометрической жидкостью под некоторым начальным давлением. В качестве термометрического вещества в данных термометрах используется ртуть под давлением 10 -15 МПа при комнатной температуре или толуол, ксилол, пропиловый спирт, силиконовые жидкости при Р=0, 5 -5 МПа. При ртутном заполнении диапазон измерений от -30 до 500°С, а для органических жидкостей – от -150 до З 00 °С. Так как жидкость практически несжимаема, объем термобаллона в жидкостных термометрах должен быть согласован со свойствами манометрической пружины. Предел измерений жидкостным манометрическим термометром [-150°С; +300°С]. Методы и средства измерения температуры Череповецкий государственный университет 15

Контактные приборы. Манометрические термометры 3. Манометрические конденсационные термометры В качестве манометрического вещества в этих термометрах используются легкокипящне жидкости (пропан, этиловый эфир, ацетон, толуол, хлористый метил и т. д.). Диапазон измерения от -50 до 350°С. Специально изготовленные термометры применяются для измерения сверхнизких температур от 0, 8 К. Термобаллон термометра заполнен конденсатом примерно на 70 -75% объема, а над конденсатом находится насыщенный пар этой же жидкости. При повышении температуры усиливается испарение жидкости и увеличивается упругость пара, это приводит к повышению конденсации и, соответственно, равновесие наступает при новом значении давления - которое соответствует измеренной температуре. Преимущества: конденсационные термометры более чувствительны, чем остальные. Важное достоинство этих термометров - возможность использования их на взрывоопасных объектах. Методы и средства измерения температуры Череповецкий государственный университет 16

Контактные приборы. Манометрические термометры Достоинствами манометрических термометров являются сравнительная простота конструкции и применения, возможность дистанционного измерения температуры (длина капилляра может достигать 60 м) и возможность автоматической записи показаний. Недостатки: относительно невысокая точность измерения (класс точности 1. 6; 2. 5; 4. 0 и реже 1. 0). Трудность поддержания герметичности в термобаллоне и трудность ремонта при разгерметизации и последующей градуировки. Применяются для непрерывного измерения температуры жидких или газообразных сред в стационарных промышленных установках. Выбор определенного манометрического термометра зависит от необходимой скорости измерения, погрешности и стоимости прибора. Благодаря широкому диапазону рабочих температур термометры манометрические находят широкое применение в машиностроении, пищевой промышленности и холодильном оборудовании. Методы и средства измерения температуры Череповецкий государственный университет 17

Контактные приборы. Термоэлектрические термометры - термопары Измерение температуры термоэлектрическими термометрами термоэлектрическими преобразователями (ТЭП) основано на использовании термоэлектрического эффекта, открытого в 1821 г. Зеебеком. Термоэлектрического эффект: Цепь состоит из двух проводников (термоэлектродов) А и В. Места соединений термоэлектродов 1 и 2 называют спаями. Зеебеком было установлено, что если температуры спаев T 1 и T 2 не равны, то в замкнутой цепи будет протекать электрический ток. Направление этого тока, называемого термотоком, зависит от соотношения температур спаев, т. е. если Т 1>Т 2, то ток протекает в одном направлении, а при Т 1

Контактные приборы. Термоэлектрические термометры - термопары Спай, погружаемый в объект измерения температуры, называют рабочим спаем или рабочим концом, а спай вне объекта называют свободным спаем (концом). Для оценки свойств ТЭП, составленных из различных пар разнородных термоэлектродов, достаточно знать значения термо. ЭДС, развиваемые термоэлектродами в паре с одним из термоэлектродов, называемым нормальным. В качестве нормального стандартами предусматривается термоэлектрод из химически чистой платины. Зависимость температуры от термо. ЭДС для различных используемых ТЭП устанавливается экспериментально путем градуировки и последующего табулирования или построением графика зависимости термо. ЭДС от температуры. В процессе градуировки температура свободного конца ТЭП должна поддерживаться постоянной и значение ее стандартизовано в РФ на уровне = 0 о. С. Термоэлектрические преобразователи обозначаются в зависимости от применяемых сплавов: хромель-копель - ТХК, хромель-алюмель - ТХА, платинородий-платина - ТПП, платинородий (30% родия) - платинородий (6% родия) - ТПР. Методы и средства измерения температуры Череповецкий государственный университет 19

Контактные приборы. Термоэлектрические термометры - термопары Примеры Обозна-ие термопары, ANSI Тип по ГОСТ Р 8. 585 -2001 Материал положительно го электрода Материал отрицательного электрода J ТЖК Железо, Fe Константан, Cu-Ni 2, 2 o. С или 0, 75% -200 800 K TXA Хромель, Cr-Ni Алюмель, Ni-Al 2, 2 o. С или 0, 75% выше 0 o. С, 2, 2 o. С или 2% ниже -200 1400 T ТМК Медь, Cu Константан, Cu-Ni 1 o. С или 0, 75% выше 0 o. С, 1 o. С или 1, 5% ниже -200 400 -200 1000 -270 1300 Максимальная погрешность Диапазон измерений E ТХКн Хромель, Cr-Ni Константан, Cu-Ni 1, 7 o. С или 0, 5% выше 0 o. С, 1, 7 o. С или 1% ниже N ТНН Никросил, Ni. Cr-Si Нисил, Ni-Si-Mg 2, 2 o. С или 0, 75% выше 0 o. С, 2, 2 o. С или 2% ниже R ТПП Платина-Родий (13% Rh) Платина Pt 1, 5 o. С или 0, 25% 0 1750 S ТПП Платина-Родий (10% Rh) Платина Pt 1, 5 o. С или 0, 25% 0 1750 B ТПР Платина-Родий (30% Rh) Платина-Родий (6% Rh) 0, 5% выше +800 o. С 600 1800 C ТВР, A (A 1, A-2, A-3) Вольфрам. Рений, W-Re (5% Re) Вольфрам-Рений, W-Re (26% Re) 4, 5 o. С до _425 o. С, 1% до 2320 o. С 0 2200 Череповецкий государственный университет 21 Методы и средства измерения температуры

Контактные приборы. Термоэлектрические термометры - термопары Градуировочные зависимости основных типов термопар Методы и средства измерения температуры Череповецкий государственный университет 22

Контактные приборы. Термоэлектрические термометры - термопары Необходимо подчеркнуть, что генерируемая в контуре ТЭП термо. ЭДС зависит только от химического состава термоэлектродов и температуры спаев и не зависит от геометрических размеров термоэлектродов и размера спаев. Применение Термопары широко применяют для измерения температуры различных промышленных объектов (газы, жидкости). Термопары незаменимы при измерении высоких температур (вплоть до 2200°С) в агрессивных средах, например расплавленная сталь. К числу достоинств термопар относятся надежность, простата конструкции, малая инерционность, возможность измерения малых разностей температур. Погрешность измерений может составлять от 0, 25 до 2 %. В качестве средств измерений, работающих в комплекте с ТЭП, используются милливольтметры, потенциометры и нормирующие преобразователи, которые измеряют термо. ЭДС, преобразовывают сигнал для обработки и передачи в АСУ ТП Методы и средства измерения температуры Череповецкий государственный университет 23

Контактные приборы. Термопреобразователи сопротивления Измерение температуры термопреобразователями сопротивления основано на свойстве металлов и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление с изменением температуры. Если известна зависимость между электрическим сопротивлением проводника и его температурой, то, измерив Rt, можно определить значение температуры среды, в которую он погружен. Пример Методы и средства измерения температуры Череповецкий государственный университет 24

Контактные приборы. Термопреобразователи сопротивления Конструкция термопреобразователя сопротивления: 1 - чувствительный элемент, 2 - провода, 3 - корпус, 4 - штуцер крепления корпуса, 5 - клеммы, 6 - штуцер для вывода проводов. Чувствительный элемент термопреобразователя состоит из проволоки, намотанной на каркас. 1 - спираль; 2 – выводы; 3 – термоэлемент; 4 порошок, для улучшения теплопередачи (окись алюминия) Методы и средства измерения температуры Череповецкий государственный университет 25

Контактные приборы. Термопреобразователи сопротивления В зависимости от материала проволоки различаются термопреобразователи сопротивления медные (ТСМ) и платиновые (ТСП) и др. Платина является наилучшим материалом для термопреобразователей сопротивления, так как легко получается в чистом виде, обладает хорошей воспроизводимостью результатов, химически инертна к окислительной среде при высоких температурах, имеет достаточно большой температурный коэффициент сопротивления, и высокое удельное сопротивление. Платиновые преобразователи сопротивления используются для измерения температуры от - 260 до + 1100 °С. Недостатком платины является нелинейность функции Rt=f(t) и кроме того, платина - очень дорогой металл. Медь - дешевый металл, легко получаемый в чистом виде. Диапазон применения от - 50 до +200 °С. При более высоких температурах медь активно окисляется и потому не используется. Методы и средства измерения температуры Череповецкий государственный университет 26

Контактные приборы. Термопреобразователи сопротивления Применение ТС применяются для контроля температуры воздуха, неагрессивных газов и жидкостей, массивных изделий с установкой в "гнездо", например электродвигателей, подшипников, радиаторов силовых полупроводниковых приборов и т. д. Погрешность Допустимые отклонения от ± 0, 15 °С до ± 3°С Тип термопреобразователя НСХ 50 П; 100 П; Модификация термосопротивления Pt 100 ДТС 50 М; 100 М Класс допуска Диапазон измерений (в зависимости от конструктива) Допустимые отклонения А – 50. . . 250 (500) °С ±(0, 15 °С + 0, 002 T) B – 50. . . 250 (500) °С ±(0, 30 °С + 0, 005 T) C – 50. . . 250 (500) °С ±(0, 60 °С + 0, 008 T) B – 50. . . 150 (180) °С ±(0, 25 °С + 0, 0035 T) C – 50. . . 150 (180) °С ±(0, 50 °С + 0, 0065 T) Методы и средства измерения температуры Череповецкий государственный университет 27

Бесконтактные приборы Пирометры По температуре нагретого тела можно судить на основании измерения параметров его теплового излучения, представляющего собой электромагнитные волны различной длины. Чем выше температура тела, тем больше энергии оно излучает. Тепловые лучи испускаются всеми нагретыми физическими телами, которые при температурах более 500°С начинают испускать излучение, видимое человеческим глазом. Термометры, действие которых основано на измерении теплового излучения, называют пирометрами. Они позволяют контролировать температуру от 100 до 6000°С и выше. Преимущества пирометров (по сравнению с приборами, измеряющими температуру контактными методами): 1) имеют принципиально неограниченный верхний температурный предел измерения: 2) обеспечивают возможность измерения температур излучателей, находящихся на большом расстоянии от пирометра: 3) не искажают температурное поле объекта измерения: могут применяться для измерения температур газовых потоков при больших скоростях Методы и средства измерения температуры Череповецкий государственный университет 28

Бесконтактные приборы Пирометры На основании законов излучения разработаны пирометры следующих типов: 1. Пирометр частичного излучения (ПЧИ) - измеряется энергия в ограниченном фильтром (или приемником) участке спектра (яркостная температура): 2. Пирометр спектрального отношения (ПСО) - измеряется отношение энергии фиксированных участков спектра (цветовая температура); 3. Пирометр суммарного излучения (ПСИ) - измеряется полная энергия излучения (радиационная температура). Принципиальная схема пирометра Отсчетное устройство Излучение от нагретого объекта Милливольтметр Чувствительный элемент Линза Методы и средства измерения температуры Преобразователь из в - ºС Череповецкий государственный университет 29

Бесконтактные приборы Пирометры Применение - металлургия - энергетика - машиностроение - цементная промышленность - стекольная промышленность - коксохимическая промышленность - легкая промышленность. Предел допускаемой абсолютной погрешности, °С Методы и средства измерения температуры ± 1%+ Череповецкий государственный университет 30

Бесконтактные приборы Тепловизоры Тепловидение - это направление в технических измерениях, изучающее физические основы, методы и приборы, обеспечивающие возможность наблюдения слабонагретых объектов. Приборы, работающие в этом направлении называются тепловизорами (термографами). Тепловизоры относятся к оптикоэлектронным приборам пассивного типа, работающие в инфракрасном диапазоне спектра излучения. Принцип действия тепловизора - инфракрасное (тепловое) излучение от исследуемого объекта через оптическую систему передается на приемник, представляющий собой неохлаждаемую или охлаждаемую (до -200 С) матрицу термо-детекторов. Далее полученный видеосигнал, посредством электронного блока измерения, регистрации и математической обработки оцифровывается и отображается на экране компьютера или дисплее тепловизора. Методы и средства измерения температуры Череповецкий государственный университет 31

ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕПЛОВИЗОРА Диапазон измерения температуры от -50°С до 2000°С Погрешность измерения температуры ± 2 °С или ± 2% от измеряемой величины Области применения тепловизоров 1. В строительстве и теплоэнергетике для поиска источников теплопотерь 2. В металлургии для контроля температурных режимов работы оборудования (домна, конвертер, УНРС, ковши, и др) 3. В авиакосмической и военной технике для обнаружение неисправностей, дефектов тепло- и электрооборудования. Тепловая разведка (обнаружение живой силы и техники противника, слежка) и др. обл. , где требуется оперативный контроль температуры Методы и средства измерения температуры Череповецкий государственный университет 34

Пояснения Все тела, даже глыба льда, излучают энергию, но слабо нагретые тела излучают мало энергии в единицу времени. Кроме того, их излучение (его называют инфракрасным) не вопринимает человеческий глаз, поэтому слабо нагретые тела мы не видим в темноте. Но за счет энергии инфракрасного излучения могут происходить химические реакции, благодаря чему возможно фотографирование в темноте. Если снимок сделать с самолета или с искусственного спутника Земли, можно получить важные сведения о степени нагретости больших участков поверхности Земли. Например, на снимке в инфракрасных лучах светлым тоном выделяются участки с более теплой водой, сбрасываемой в водоем заводом. Границу ее распространения нельзя заметить на обычной фотографии того же водоема. Но эту границу необходимо знать, так как излишнее повышение температуры воды вредно для ее обитателей. А охрана богатств природы (и водоемов тоже) - обязанность всех граждан нашей страны. Это записано в Конституции РФ. Давно удалось создать чувствительную и надежную аппаратуру для немедленного видения слабо нагретых предметов - тепловизоры. Конструкции их разнообразны, но главная часть приемника тепловизора - экран, покрытый тонким слоем фотосопротивления - веществом, у которого сопротивление прохождению электрического тока изменяется при поглощении падающей на него лучистой энергии. В электрической цепи тепловизора возникают электрические сигналы, зависящие от падающего на него инфракрасного излучения. Сигналы подаются на пульт управления, а затем на прибор, похожий на телевизор. На его экране и видно, например, что различные участки головы человека нагреты неодинаково: более светлые части изображения соответствуют более нагретым участкам. Но бывают тепловизоры, на экране которых получают цветное изображение с условным подбором цветов; например, белая и желтая окраска соответствует теплым участкам, зеленая и синяя - самым холодным. Изображение на экране тепловизора можно сфотографировать. Так получают тепловые фотографии. Тепловизоры способны различать малые участки объекта, отличающиеся по температуре на тысячные доли градуса. Температурный интервал работы тепловизоров - от -30 до +2000 град. С Методы и средства измерения температуры Череповецкий государственный университет 35

Для контроля нагрева электрооборудования применяют четы­ре метода измерений: метод термометра, метод сопротивления, метод термопары и метод инфракрасного излучения.

Метод термометра применяют для измерения температуры до­ступных поверхностей. Используют ртутные, спиртовые и толу­оловые стеклянные термометры, погружаемые в специальные гиль­зы, герметически встроенные в крышки и кожухи оборудования. Ртутные термометры обладают более высокой точностью, но при­менять их в условиях действия электромагнитных полей не реко­мендуется ввиду высокой погрешности, вносимой дополнитель­ным нагревом ртути вихревыми токами.

При необходимости передачи измерительного сигнала на рас­стояние нескольких метров (например, от теплообменника в крыш­ке трансформатора до уровня 2...3 м от земли) используют тер­мометры манометрического типа, например термосигнализаторы ТСМ-10. Прибор состоит из термобаллона и полой трубки, соеди­няющей баллон с пружиной показывающей части прибора. Прибор заполнен жидким метилом и его парами. При изменении измеряе­мой температуры изменяется давление паров хлористого метила, который передается стрелке прибора. Достоинство манометричес­ких приборов заключается в их вибрационной устойчивости.

Метод сопротивления основан на учете изменения величины сопротивления металлического проводника от его температуры.

Для мощных трансформаторов и синхронных компенсаторов применяют термометры с указателем манометрического типа. Об­щий вид (а) и схема включения (б) такого термометра показаны на рис. 3.1. В зависимости от температуры жидкость, заполняющая измерительный щуп прибора, воздействует через соединительную капиллярную трубку и систему рычагов на стрелку указателя.

Рис. 3.1. Дистанционный электротермометр манометрического типа: а - общий вид; б - схема включения; 1 и 2 - сигнальные контакты; 3 - реле

В таком термометре стрелки указателя имеют контакты 1 и 2 для сигнализации температуры, заданной установкой. При замы­кании контактов срабатывает соответствующее реле 3 в схеме сигнализации. Для измерения температуры в отдельных точках синхронных компен­саторов (в пазах для измерения стали, между стержнями обмоток для измере­ния температуры обмоток и других точ­ках) устанавливаются терморезисторы. Сопротивление резисторов зависит от температуры нагрева в точках измерения. Терморезисторы изготовляют из плати­новой или медной проволоки, их сопро­тивления калиброваны при определенных температурах (при температуре О °С для платины сопротивление равно 46 Ом, для меди - 53 Ом; при температуре 100 °С для

платины - 64 Ом, для меди - 75,5 Ом соответственно).

Рис. 3.2. Схема измерения температур с помощью терморезистора

Такой терморезистор R4 включается в плечо моста, собранного из рези­сторов (рис. 3.2). В одну из диагоналей моста включается источник питания, в другую - измерительный прибор. Резисторы R1... R4 в плечах моста подбираются таким образом, что при номинальной температуре мост находится в равновесии и ток в цепи прибора отсутствует. При отклонении температуры в любую сторону от номинальной изменяется сопротивление терморезистора R4, на­рушается баланс моста и стрелка прибора отклоняется, показы­вая температуру измеряемой точки. На этом же принципе основан переносной прибор (рис. 3.3). Перед измерением стрелка прибора должна находиться в нулевом положении.

Рис. 3.3. Электротермометр (переносной) для контроля нагрева контакт­ных соединений:

а - общий вид; б - схема; 1 - муфта для соединения с изолирующей штангой;

2 - микроамперметр; 3 - резистор с регулируемым сопротивлением (R5); 4-

терморезистор (RT); 5 - контроль; 6 - измерение; П - переключатель на два

положения; К - кнопка для подачи напряжения на схему

Для этого кнопкой К подается питание, переключатель П устанавливается в положение 5 и переменным резистором R5 стрелку прибора устанавлива­ют на нуль. Затем переключатель П переводится в положение 6 (измерение).

Измерение температуры контактов производится прикоснове­нием головки датчика к поверхности контакта и нажатием штан­ги на головку электротермометра (при нажатии замыкается кноп­ка К и питание подается в схему). Через 20... 30 с измеренное зна­чение температуры контакта считывается со шкалы прибора.

Средством дистанционного измерения температуры обмотки и стали статора генераторов, синхронных компенсаторов, темпера­туры охлаждающего воздуха, водорода являются термометры со­противления, в которых также использована зависимость величи­ны сопротивления проводника от температуры. Конструкции тер­мометров сопротивления разнообразны. В большинстве случаев - это бифилярно намотанная на плоский изоляционный каркас тон­кая медная проволока, имеющая входное сопротивление 53 Ом при температуре 0 °С.

В качестве измерительной части, работающей в совокупности с термометрами сопротивления, применяют автоматические элек­тронные мосты и логомеры, снабженные температурной шкалой.

Таблица 3.3 Технические характеристики пирометров и тепловизоров

Марка прибора	Диапазон контролируемых температур, °С	Наибольшеерасстояние доконтролируемогообъекта, м	Погрешность измерений, %	Показатель визирования		Напряжение источника питания, В
Тепловизор «Интекс»
Тепловизион-ныеконтрольные системы:
«Иртис-2000»

Таблица 3.4

Охлаждающая среда и контроль за статором, подшипниками, уплотнениями роторов в генераторах ТВФ и ТВВ

Элементы	Число датчиков турбогенератора
турбогенератора
Статор: обмотка
активная сталь
Охлаждающий газ:
холодный
нагретый
Дистиллят в обмотке статора:
на выходе
Вода в охладителях итеплообменниках:
холодная
нагретая
Подшипники иуплотнения:
вкладыши
входящее масло
выходящее масло

Установку термометров сопротивления в статор машины выпол­няют при ее изготовлении на заводе. Медные термометры сопро­тивления укладывают между стержнями обмотки и на дно паза.

Метод термопары основан на использовании термоэлектриче­ского эффекта, т. е. зависимости ЭДС в цепи от температуры точек соединения двух разнородных проводников, например: медь-константан, хромель-копель и др. Если измеряемая температура не превышает 100... 120°С, то между термоЭДС и разностью темпе­ратур нагретых и холодных концов термопары существует про­порциональная зависимость.

Термопары присоединяют к измерительным приборам компен­сационного типа, потенциометрам постоянного тока и автомати­ческим потенциометрам, которые предварительно градуируют. С помощью термопар измеряют температуры конструктивных эле­ментов турбогенераторов, охлаждающего газа, активных частей, например активной стали статора.

Метод инфракрасного излучения положен в основу приборов, работающих с использованием фиксации инфракрасного излуче­ния, испускаемого нагретыми поверхностями. К ним относятся пирометры, применяемые для измерения температур нагретых тел (табл. 3.3).

В табл. 3.4 приведены элементы турбогенераторов серий ТВФ и ТВВ и охлаждающая среда, температура которых измеряется ука­занными средствами теплового контроля.

Помимо температуры на обслуживаемом оборудовании также контролируют давление водорода, общий расход и давление дис­тиллята в обмотке статора, расход и давление воды в охладителях и теплообменниках, так как от параметров охлаждающих агентов не­посредственно зависит температура элементов статора и ротора.

Совокупность приёмов использования принципов и средств изме-

рений составляет метод измерения. Различные методы измерений

отличаются прежде всего организацией сравнения измеряемой вели-

чины с единицей измерения. С этой точки зрения все методы измере-

ний в соответствии с ГОСТ 16263–70 подразделяются на две группы:

методы непосредственной оценки и методы сравнения. Методы срав-

нения в свою очередь включают в себя метод противопоставления,

дифференциальный метод, нулевой метод, метод замещения и метод

совпадений.

При методе непосредственной оценки значение измеряемой ве-

личины определяют непосредственно по отсчётному устройству изме-

рительного прибора прямого действия (измерительный прибор, в ко-

тором предусмотрено одно или несколько преобразований сигнала

измерительной информации в одном направлении, т.е. без обратной

связи). На этом методе основаны все показывающие (стрелочные)

приборы (вольтметры, амперметры, ваттметры, счётчики электриче-

ской энергии, термометры, тахометры и т.п.). Следует отметить, что

при использовании данного метода измерений мера как вещественное

воспроизведение единицы измерения, как правило, непосредственно в

процессе измерения не участвует. Сравнение измеряемой величины с

единицей измерения осуществляется косвенно путём предварительной

градуировки измерительного прибора с помощью образцовых мер или

образцовых измерительных приборов. 22

Точность измерений по методу непосредственной оценки в боль-

шинстве случаев невелика и ограничивается точностью применяемых

измерительных приборов.

Метод сравнения с мерой – это такой метод измерений, в кото-

ром измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой

мерой. Примеры этого метода: измерение массы на рычажных весах с

уравновешиванием гирями; измерение напряжения постоянного тока

на компенсаторе сравнением с ЭДС нормального элемента.

Метод сравнения с мерой, в котором измеряемая величина и ве-

личина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на при-

бор сравнения, с помощью которого устанавливается соотношение

между этими величинами, называется методом противопоставления.

Это, например, измерение массы на рычажных весах с помещением её

и уравновешивающих гирь на две чаши весов при известном соотно-

шении плеч рычага весов. В этом случае при качественном выполне-

нии устройства сравнения (малое трение в опорах, стабильность соот-

ношения плеч рычага и т.п.) может быть достигнута высокая точность

измерений (пример – аналитические весы).

Дифференциальный метод – это метод сравнения с мерой, в ко-

тором на измерительный прибор воздействует разность измеряемой

величины и известной величины, воспроизводимой мерой. Этот метод

позволяет получать результаты измерений с высокой точностью даже

в случае применения относительно неточных измерительных прибо-

ров, если с большой точностью воспроизводится известная величина.

Рассмотрим следующий пример. Необходимо измерить постоян-

ное напряжение, истинное значение которого равно Ux = 99,0 В.

В распоряжении экспериментатора имеется набор вольтметров (или

один многопредельный) с пределами измерения 0,01; 0,1; 1 В. Пусть

погрешность каждого вольтметра при измерении величины, значение

которой равно пределу измерения, составляет 1%. Предположим, что

имеется также образцовая мера напряжения U0 =1В, погрешность

которой пренебрежимо мала. Очевидно, что, производя измерения ме-

тодом непосредственной оценки, экспериментатор использует вольт-

метр с пределом измерения 1 В и получает результат измерений с по-

грешностью 1%. При дифференциальном методе измерения экспери-

ментатор включает источники измеряемого постоянного напряжения

Ux и образцового напряжения U0 последовательно и встречно и изме-

ряет их разность U0 −Ux = 01,0 В вольтметром с пределом измерения

0,01 В. В этом случае разность U0 −Ux будет измерена с погрешно-

стью 1%, а, следовательно, значение напряжения будет определено с

погрешностью 0,01%. 23

Указанный метод широко используется, в частности, при поверке

средств измерений (например, измерительных трансформаторов тока и

напряжения). На нём основана работа очень распространённых в элек-

троизмерительной технике мостов постоянного и переменного токов.

Эффект повышения точности результатов измерений, достигае-

мый при дифференциальном методе, оказывается тем значительнее,

чем ближе значение меры к истинному значению измеряемой величи-

ны. В том случае, когда результирующий эффект воздействия величин

на прибор сравнения доводят до нуля, дифференциальный метод изме-

рений превращается в нулевой. Очевидно, что в нулевом методе изме-

рений используемая мера должна быть изменяемой (регулируемой), а

прибор сравнения выполняет функции индикатора равенства нулю

результирующего воздействия измеряемой величины и меры.

Нулевой метод позволяет получить высокие точности измерений

и широко используется, например, при измерениях электрического

сопротивления мостом с полным его уравновешиванием или постоян-

ного напряжения компенсатором постоянного тока.

Методом замещения называется метод сравнения с мерой, в ко-

тором измеряемую величину замещают известной величиной, воспро-

изводимой мерой. Это, например, взвешивание с поочередным поме-

щением измеряемой массы и гирь на одну и ту же чашку весов. Метод

замещения можно рассматривать как разновидность дифференциаль-

ного или нулевого метода, отличающуюся тем, что сравнение изме-

ряемой величины с мерой производится разновременно.

Метод совпадений – это метод сравнения с мерой, в котором

разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой

мерой, измеряют, используя совпадения отметок шкал или периодиче-

ских сигналов. Примерами этого метода являются измерения длины с

помощью штангенциркуля с нониусом, измерение частоты вращения

стробоскопом.

Описанные выше различия в методах сравнения измеряемой ве-

личины с мерой находят своё отражение и в принципах построения

измерительных приборов.

С этой точки зрения различают измерительные приборы прямого

действия и приборы сравнения. В измерительном приборе прямого

действия предусмотрено одно или несколько преобразований сигнала

измерительной информации в одном направлении, т.е. без применения

обратной связи. Так, например, на рис. 1.3 приведена структура элек-

тронного вольтметра переменного и постоянного тока, которая содер-

жит выпрямитель В, усилитель постоянного тока УПТ и измеритель-

ный механизм ИМ. В этом приборе преобразование сигнала измери-

тельной информации идёт только в одном направлении. 24

Характерной особенностью приборов прямого действия является

потребление энергии от объекта измерения. Однако это не исключает

возможности применения приборов прямого действия для измерения,

например, электрического сопротивления или ёмкости, но для этого

необходимо использовать вспомогательный источник энергии.

Измерительный прибор сравнения предназначен для непосредст-

венного сравнения измеряемой величины с величиной, значение кото-

рой известно.

На рисунке 1.4 приведена структурная схема автоматического

прибора сравнения, содержащая устройство сравнения УС, устройство

управления УУ и изменяемую (регулируемую) меру М с отсчётным

устройством.

Измеряемая величина x и однородная с ней величина x0 подаются

на входы устройства сравнения УС. Величина x0 получается от регули-

руемой меры М. В зависимости от результата сравнения х с х0 устрой-

ство управления УУ воздействует на меру М таким образом, чтобы

величина

x − x уменьшалась. Процесс уравновешивания заканчива-

ется, когда x = x

При этом значение измеряемой величины отсчиты-

вается по шкале регулируемой меры. Если в устройстве сравнения

происходит вычитание величин х и x0, то в данном приборе реализует-

ся сравнение измеряемой величины с мерой нулевым методом.

Очевидно, что любой измерительный прибор сравнения должен

иметь цепь обратной связи и замкнутую структуру. Обратная связь

может применяться и в приборах прямого действия, однако в них она

всегда охватывает не весь процесс преобразования, а только его часть.

Например, в структурной схеме на рис. 1.3 усилитель постоянного то-

ка может быть охвачен обратной связью. В измерительных приборах

сравнения в цепи обратной связи всегда формируется физическая ве-

личина, однородная с измеряемой, которая подаётся на вход прибора.

Следует отметить, что сравнение измеряемой величины с мерой в

приборах сравнения может осуществляться либо одновременно (нуле-

вой метод), либо разновременно (метод замещения).

Рис. 1.3. Структурная схема

прибора прямого действия

Рис. 1.4. Структурная схема

прибора сравнения25

Таким образом, приведённая классификация видов и методов из-

мерений позволяет не только систематизировать разнообразные изме-

рения всевозможных физических величин и тем самым облегчить под-

ход к решению конкретной измерительной задачи, но и с общих пози-

ций подойти к рассмотрению структур и принципов действия различ-

ных измерительных приборов.

В зависимости от вида объекта контроля может быть контроль

продукции, услуг, систем качества (производств) и персонала. Все

объекты контролируются на соответствие требованиям норм, установ-

ленным на сырьё, материалы, изделия, оборудование и инструмент.

Одной из важнейших характеристик объектов контроля является их

контролепригодность, т.е. свойство конструкции изделия, обеспечи-

вающее возможность, удобство и надёжность её контроля при изго-

товлении, испытании, техническом обслуживании и ремонте.

Кроме названных объектов, контролю подвергаются элементы

системы качества и стадии процесса производства. Контроль после

какой-либо операции на станке, прессе, сборке называется операцион-

ным. После изготовления детали, узла или изделия в качестве готовой

продукции применяют приёмочный контроль: проводится контроль

комплектности, упаковки и транспортирования и, наконец, контроль

хранения. Какие параметры подлежат контролю и каким инструмен-

том или прибором контролируется объект при операционном контро-

ле, регламентируется картой технологического процесса в графе «кон-

трольная операция». Приёмочный контроль проводят по нормативно-

технической документации (НТД), общим техническим условиям и

соответствующим техническим условиям.

Проверка соответствия характеристик, режимов и других показа-

телей названных стадий производства и составляет суть контролируе-

мых операций.

Контроль объектов или стадий процесса производства может

− летучим − срок проведения его не регламентирован;

− периодическим − проводится через определённый промежуток

времени (часы, сутки, месяцы);

− непрерывным – ведётся непрерывно (постоянно).

В зависимости от средств контроля различают контроль:

− визуальный − когда объект контроля подвергается осмотру и

определяется его соответствие требованиям НТД (все ли операции

выполнены, наличие маркировки, сопроводительной документации); 26

− органолептический – субъективный метод контроля, проводи-

мый специалистами-экспертами (оценка в баллах);

− инструментальный – контроль, осуществляемый при помощи

измерительного инструмента, калибров, приборов, стендов, испыта-

тельных машин и др.

Последний вид контроля может быть ручным, автоматизирован-

ным и автоматическим. При ручном контроле используется ручной

измерительный инструмент (штангенциркули, микрометры, калибры,

скобы, индикаторы и т.д.) для проверки деталей и изделий. Данный

контроль весьма субъективен: даже при сплошном контроле вручную

обнаруживается лишь 2 … 4% дефектных деталей. Автоматизирован-

ный контроль связан с использованием специальных средств, позво-

ляющих исключить субъективизм при измерении. Наиболее прогрес-

сивным является автоматический контроль, т.е. при изготовлении

деталей и узлов встраиваются автоматические средства контроля, с

помощью которых осуществляют непрерывный контроль.

В зависимости от объёма продукции различают контроль:

− сплошной, при котором решение о качестве контролируемой

продукции принимается по результатам проверки каждой единицы

продукции;

− выборочный, при котором решение о качестве принимается по

результатам проверки одной или нескольких выборок (в зависимости

от требований НТД) из партии или потока продукции.

По характеру воздействия на ход производственного процесса

различают активный и пассивный контроль. При активном контроле

(он осуществляется приборами, встроенными в технологическое обо-

рудование) полученные результаты используются для непрерывного

управления процессом изготовления изделий. Пассивный контроль

лишь фиксирует полученный результат и является основанием для

разбраковки продукции.

По характеру воздействия на объект контроль может быть разру-

шающим, при котором продукция становится непригодной для даль-

нейшего использования по назначению, и неразрушающим.

По типу проверяемых параметров выделяют контроль геометри-

ческих параметров (линейные, угловые размеры, форма и расположе-

ние поверхностей, осей, деталей, узлов и агрегатов и т.д.), физических

свойств (электрические, теплотехнические, оптические и др.), механи-

ческих свойств (прочность, твёрдость, пластичность при различных

внешних условиях), микро- и макроструктур (металлографические

исследования), химических свойств (химический анализ состава веще-

ства, химическая стойкость в различных средах), а также специальный

контроль (свето-, газонепроницаемость, герметичность). 27

Каждому равновесному состоянию тела можно приписать число (с размерностью), характеризующее температуру этого тела, причём, чем больше температура, тем больше это число. Указанное число называется температурным числом или значением температуры.

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

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

Введенную в 1742 году температурную шкалу Цельсия, который предложил температурный интервал между температурами таяния льда и кипения воды при нормальном давлении (1 атм или 101 325 Па) разделить на сто равных частей (градусов Цельсия), широко используют и сегодня, правда в уточненном виде, когда один градус Цельсия считается равным одному кельвину (см. ниже). При этом температура таяния льда берется равной 0 0 С, а температура кипения воды становится приблизительно равной 99,975 0 С. Возникающие при этом поправки, как правило, не имеют существенного значения, так как большинство используемых спиртовых, ртутных и электронных термометров не обладают достаточной точностью (поскольку в этом обычно нет необходимости), чтобы учитывать эти, очень небольшие поправки.

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

Кроме задания реперных точек, определяемых с помощью эталона температуры, необходимо выбрать термодинамическое свойство тела, описывающиеся физической величиной, изменение которой является признаком изменения температуры или термометрическим признаком. Это свойство должно быть достаточно легко воспроизводимо, а физическая величина - легко измеряемой. Измерение указанной физической величины позволяет получить набор температурных точек (и соответствующих им температурных чисел), промежуточных по отношению к реперным точкам.

Тело, с помощью измерения термометрического признака которого осуществляется измерение температуры, называется термометрическим телом.

Термометрическими признаками могут быть изменения: объёма газа или жидкости, электрического сопротивления тел, разности электрического потенциала на границе раздела двух проводящих тел и т. д. Соответствующие этим признакам приборы для измерения температуры (термометры) будут: газовый и ртутный термометры, термосопротивление, термопара.

Приводя термометрическое тело (термометр) в состояние теплового контакта с тем телом, температуру которого необходимо измерить, можно на основании нулевого начала термодинамики утверждать, что по прошествии времени, достаточного для установления термодинамического равновесия, их температуры сравняются. Это позволяет приписать телу то же температурное число (значение температуры), которое показывает термометр.

Другой метод измерения температуры реализован в пирометрах - приборах для измерения яркостной температуры тел по интенсивности их теплового излучения. При этом достигается равновесное состояние термодинамической системы, состоящей из самого пирометра и теплового излучения, принимаемого им. Подробнее об этом будет изложено в разделе курса, посвящённом квантовым свойствам равновесного теплового излучения. Сейчас мы только отметим, что оптическая пирометрия (бесконтактные методы измерения температур) используется в металлургии для измерения температуры расплава и проката, в лабораторных и производственных процессах, где необходимо измерение температуры нагретых газов, а также при исследованиях плазмы.

Первый термометр был изобретён Галилео Галилеем(1564 - 1642) и представлял собой газовый термометр.

Рис. 1.1.

Газовый термометр постоянного объёма (см. рис. 1.1): термометрическое тело - порция газа, заключенная в сосуд, соединенный с помощью трубки с манометром. Измеряемая физическая величина (термометрический признак), обеспечивающая определение температуры, - давление газа при некотором фиксированном объёме. Постоянство объёма достигается тем, что вертикальным перемещением правой трубки уровень в левой трубке манометра доводится до одного и того же значения (опорной метки) и в этот момент производится измерения разности высот уровней жидкости в манометре. Учет различных поправок (например, теплового расширения стеклянных деталей термометра, адсорбции газа и т.д.) позволяет достичь точности измерения температуры газовым термометром постоянного объема, равной одной тысячной кельвина.

Газовые термометры имеют то преимущество, что температура, определяемая с их помощью, при малых плотностях газа не зависит от природы используемого газа, а шкала газового термометра - хорошо совпадает сабсолютной шкалой температур (о ней подробно будет сказано ниже). Во второй главе мы подробнее опишемидеально-газовый термометр, определяющий абсолютную шкалу температур.

Газовые термометры используют для градуировки других видов термометров, например, жидкостных. Они более удобны на практике, однако, шкала жидкостного термометра, проградуированного по газовому, оказывается, как правило, неравномерной.

Жидкостной термометр - это наиболее часто используемый в обыденной жизни термометр, основанный на изменении объёма жидкости при изменении её температуры. В ртутно-стеклянном термометре термометрическим телом является стеклянный баллон с капилляром и помещенная в него ртуть. Термометрическим признаком является расстояние от мениска ртути в капилляре до произвольной фиксированной точки. Ртутные термометры используют в диапазоне температур от -39 0 С до нескольких сотен градусов Цельсия. При высоких температурах (свыше 300 0 С) в капилляр накачивают азот (давление до 100 атм или 10 7 Па), чтобы воспрепятствовать кипению ртути. Добавлением таллия, нижнюю температуру, измеряемую ртутным термометром, можно существенно понизить до -59 0 С.

Другими видами широко распространённых жидкостных термометров являются спиртовой (от -10 0 С до +50 0 С) и пентановый (от -200 0 С до +20 0 С). Отметим, что воду нельзя применять в качестве термометрического тела в жидкостном термометре: объём воды с повышением температуры сначала падает, а потом растёт, что делает невозможным использование объема воды в качестве термометрического признака.

Однако, в связи с развитием измерительной техники, наиболее удобными техническими видами термометров стали те, в которых термометрическим признаком является электрический сигнал. Это термосопротивления (металлические и полупроводниковые) и термопары.

Металлический термометр сопротивления: измерение температуры основано на явлении роста сопротивления металла с ростом температуры. Для большинства металлов вблизи комнатной температуры эта зависимость близка к линейной, а для чистых металлов относительное изменение их сопротивления при повышении температуры на 1 К (температурный коэффициент сопротивления) имеет величину близкую к 4*10 -3 1/К. Термометрическим признаком является электрическое сопротивление термометрического тела - металлической проволоки. Чаще всего используют платиновую проволоку, а также медную проволоку или их различные сплавы. Диапазон применения таких термометров от водородных температур (~20 К) до сотен градусов Цельсия. При низких температурах в металлических термометрах зависимость сопротивления от температуры становится существенно нелинейной, и термометр требует тщательной калибровки.

Полупроводниковый термометр сопротивления (термистор): измерение температуры основано на явлении уменьшения сопротивления полупроводников с ростом температуры. Так как температурный коэффициент сопротивления полупроводников по абсолютной величине может значительно превосходить соответствующий коэффициент металлов, то и чувствительность таких термометров может значительно превосходить чувствительность металлических термометров.

Специально изготовленные полупроводниковые термосопротивления могут быть использованы при низких (гелиевых) температурах. Однако следует учитывать то, что в обычных полупроводниковых сопротивлениях возникают дефекты, обусловленные воздействием низких температур. Это приводит к ухудшению воспроизводимости результатов измерений и требует использования в термосопротивлениях, специально подобранных полупроводниковых материалов.

Термопара. Термопара представляет собой электрический контур, спаянный из двух различных металлических проводников, один спай которых находится при измеряемой температуре (измерительный спай), а другой (свободный спай) - при известной температуре, например, при комнатной температуре. Из-за разности температур спаев возникает электродвижущая сила (термо-ЭДС), измерение которой позволяет определять разность температур спаев, а, следовательно, температуру измерительного спая.

В таком термометре термометрическим телом является спай двух металлов, а термометрическим признаком - возникающая в цепи термо-ЭДС. Чувствительность термопар составляет от единиц до сотен мкВ/К, а диапазон измеряемых температур от азотных до полутора тысяч градусов Цельсия (для термопар из благородных металлов). Наибольшее применение нашли термопары: медьконстантановая, хромельалюмелиевая, платиновородиевая, иридиевородиевая.

Следует отметить, что термопара способна измерить только разность температур измерительного и свободного спаев. Свободный спай находится, как правило, при комнатной температуре. Поэтому для измерения температуры термопарой необходимо использовать дополнительный термометр для определения комнатной температуры или систему компенсации изменения температуры свободного спая.

В радиотехнике часто применяют понятие шумовой температуры, равной температуре, до которой должен быть нагрет резистор, согласованный с входным сопротивлением электронного устройства, чтобы мощность тепловых шумов этого устройства и резистора были равными в определенной полосе частот. Возможность введения такого понятия обусловлена пропорциональностью средней мощности шума (среднего квадрата шумового напряжения на электрическом сопротивлении) абсолютной температуре сопротивления. Это позволяет использовать шумовое напряжение в качестве термометрического признака для измерения температуры. Шумовые термометры используются для измерения низких температур (ниже нескольких кельвинов), а также в радиоастрономии для измерения радиационной (яркостной) температуры космических объектов.

Принцип действия

Принцип действия основан на эффекте Зеебека или, иначе, термоэлектрическом эффекте. Между соединёнными проводниками имеется контактная разность потенциалов; если стыки связанных в кольцо проводников находятся при одинаковой температуре, сумма таких разностей потенциалов равна нулю. Когда же стыки находятся при разных температурах, разность потенциалов между ними зависит от разности температур. Коэффициент пропорциональности в этой зависимости называют коэффициентом термо-ЭДС. У разных металлов коэффициент термо-ЭДС разный и, соответственно, разность потенциалов, возникающая между концами разных проводников, будет различная. Помещая спай из металлов с отличными от нуля коэффициентами термо-ЭДС в среду с температуройТ1, мы получим напряжение между противоположными контактами, находящимися при другой температуреТ2, которое будет пропорционально разности температурТ1иТ2.

Способы подключения

Наиболее распространены два способа подключения термопары к измерительным преобразователям: простой и дифференциальный. В первом случае измерительный преобразователь подключается напрямую к двум термоэлектродам. Во втором случае используются два проводника с разными коэффициентами термо-ЭДС, спаянные в двух концах, а измерительный преобразователь включается в разрыв одного из проводников.

Для дистанционного подключения термопар используются удлинительные или компенсационные провода. Удлинительные провода изготавливаются из того же материала, что и термоэлектроды, но могут иметь другой диаметр. Компенсационные провода используются в основном с термопарами из благородных металлов и имеют состав, отличный от состава термоэлектродов. Требования к проводам для подключения термопар установлены в стандарте МЭК 60584-3. Следующие основные рекомендации позволяют повысить точность измерительной системы, включающей термопарный датчик:

Миниатюрную термопару из очень тонкой проволоки следует подключать только с использованием удлинительных проводов большего диаметра; -- Не допускать по возможности механических натяжений и вибраций термопарной проволоки; -- При использовании длинных удлинительных проводов, во избежание наводок, следует соединить экран провода с экраном вольтметра и тщательно перекручивать провода; -- По возможности избегать резких температурных градиентов по длине термопары; -- Материал защитного чехла не должен загрязнять электроды термопары во всем рабочем диапазоне температур и должен обеспечить надежную защиту термопарной проволоки при работе во вредных условиях; -- Использовать удлинительные провода в их рабочем диапазоне и при минимальных градиентах температур; -- Для дополнительного контроля и диагностики измерений температуры применяют специальные термопары с четырьмя термоэлектродами, которые позволяют проводить дополнительные измерения сопротивления цепи для контроля целостности и надежности термопар.

Применение термопар

Для измерения температуры различных типов объектов и сред, а также в автоматизированных системах управления и контроля. Термопары извольфрам-рениевогосплава являются самыми высокотемпературными контактными датчиками температуры. Такие термопары незаменимы в металлургии для контроля температуры расплавленных металлов.

В 1920-х -- 1930-х годах термопары использовались для питания простейших радиоприемников и других слаботочных приборов. Вполне возможно использование термогенераторов для подзарядки АКБ современных слаботочных приборов (телефоны, камеры и т.п.) с использованием открытого огня.

Преимущества термопар

• · Высокая точность измерения значений температуры (вплоть до ±0,01 °С).
• · Большой температурный диапазон измерения: от?250°C до +2500°C.
• · Простота.
• · Дешевизна.
• · Надёжность.

Недостатки

• · Для получения высокой точности измерения температуры (до ±0,01 °С) требуется индивидуальная градуировка термопары.
• · На показания влияет температура свободных концов, на которую необходимо вносить поправку. В современных конструкциях измерителей на основе термопар используется измерение температуры блока холодных спаев с помощью встроенного термистора или полупроводникового датчика и автоматическое введение поправки к измеренной ТЭДС.
• · Эффект Пельтье (в момент снятия показаний необходимо исключить протекание тока через термопару, так как ток, протекающий через неё, охлаждает горячий спай и разогревает холодный).
• · Зависимость ТЭДС от температуры существенно нелинейна. Это создает трудности при разработке вторичных преобразователей сигнала.
• · Возникновение термоэлектрической неоднородности в результате резких перепадов температур, механических напряжений, коррозии и химических процессов в проводниках приводит к изменению градуировочной характеристики и погрешностям до 5 К.
• · На большой длине термопарных и удлинительных проводов может возникать эффект «антенны» для существующих электромагнитных полей.

Рис. 1.2

Схема термопары типа К. При температуре спая проволок из хромеляиалюмеля равной 300°C и температуре свободных концов 0°C развивает термо-ЭДС 12,2мВ.

образователи в зависимости от рода измеряемой величины имеют соответствующие названия: термометры, термопреобразователи, манометры, преобразователи давления, расходомеры, преобразователи расхода и т.п.

Вопросы для самопроверки

1. Что называется средством измерения?

2. Что входит в средства измерений?

3. Охарактеризуйте основные виды средств измерений.

4. Дайте характеристику государственной системе промышленных приборов и средств автоматизации.

5. Дайте определение класса точности и допускаемых погрешностей.

Раздел 2. Методы и средства измерения температуры

Более подробная информация по данному разделу содержится в ,

с.33…91; , с.18…80.

В разделе рассматриваются 6 тем:

1. Международная температурная шкала МТШ-90.

2. Термометры расширения.

3. Термопреобразователи расширения.

4. Термоэлектрические преобразователи.

5. Методика измерения температуры контактными средствами.

6. Измерение температуры тел по их тепловому излучению.

при работе с теоретическим материалом следует ответить на вопросы, приведенные в конце данного раздела.

После проработки теоретического материала раздела 2 студентам очной и очно-заочной формы обучения следует выполнить лабораторные работы (№№ 3, 4 и 5 для очной формы обучения и №№ 3 и 4 для очно-заочной формы обучения), студентам очно-заочной и заочной формы обучения – контрольную работу №1, а затем (для всех форм обучения) – тренировочный тест №2.

Изучение раздела заканчивается контрольным мероприятием: необходимо ответить на вопросы контрольного теста №2.

2.1. Международная температурная шкала МТШ-90

Непосредственное измерение температуры невозможно. В принципе все явления, происходящие под воздействием тепла (например, расширение веществ, изменение электрического сопротивления, излучение нагретых тел), можно использовать для измерения температуры. Однако, количественная оценка возможна лишь при соотнесении показаний термометра с некоторой эталонной температурой, например, с температурой тройной точки воды.

Для унификации результатов измерений различными средствами, основанными на различных методах, применяется международная температурная шка-

ла. По мере развития техники температурных измерений использовались различные температурные шкалы: МТШ-27, МПТШ-68, МТШ-90 (цифры указывают год международного принятия шкалы).

В метрологическом аспекте температура является величиной, не подчиняющейся закону аддивности (аддивность – свойство величины, состоящее в том, что значение величины, соответствующее целому объекту, равно сумме значений величин, соответствующих его частям, каким бы образом не был разбит объект). Поэтому для измерения температуры необходимо иметь не только единицу измерения, но и шкалу, в которой температура определена через ка- кую-либо подчиняющуюся закону аддивности величину, связанную с температурой функциональной зависимостью (например, ЭДС, сопротивление, и т.п.)

Идеальная температурная шкала – это термодинамическая температурная шкала, основанная на втором законе термодинамики. Единицей термодинамической температуры Т является градус Кельвина К – 1/273,16 часть температуры тройной точки воды. Широко применяется практика выражения температуры в виде ее значения относительно точки плавления льда (273,15К). Выраженная таким образом температура известна как температура Цельсия (символ t ) и определяется как t = Т - 273,15. Единицей температуры Цельсия является градус Цельсия (символ ºС), размер которого равен Кельвину (это означает, что температурный интервал 1 ºС =1 К). В Международной температурной шкале 1990 г. (МТШ-90) используются как температура Кельвина (символ Т 90 ), так и температура Цельсия (символ t 90 ).

Для изменения аддивных величин (например, длины, массы) можно опираться на воспроизведение размеров их единиц. Так как температура не подчиняется закону аддивности, то воспроизведение одной эталонной точки (тройной точки воды) не позволит точно определить другие температурные точки. Поэтому необходимо точное воспроизведение нескольких температурных точек (они называются реперными), которым присвоено определенное значение температур, совокупность их образует температурную шкалу. Между реперными точками шкала воспроизводится с помощью эталонных средств, в которых температура определяется через какую-либо аддивную величину, связанную с температурной функциональной зависимостью заданного вида. Коэффициенты этой зависимости находятся по температурам реперных точек.

Международная температурная шкала МПТШ-90 охватывает диапазон от 0,65 К до наивысшей температуры, доступной измерению в соответствии с законом излучения Планка для монохроматического излучения. Она разбита на ряд диапазонов, содержащих реперные точки, внутри которых используются определенные типы термометров.

В настоящее время используются различные методы измерения температуры, которые можно разделить на две группы: контактные и бесконтактные.

Средства измерения температуры

			Таблица 3.1
Тип средства измерения	Разновидность средст-	Предел применения, ºС
	ва измерения первич-
	ного преобразователя
Термометры расширения	Жидкостные
	стеклянные
	Манометрические
	Биметаллические
Термометры сопротивле-	Металлические
	(проводниковые)
	Термопреобразователи
	сопротивления
	Полупроводниковые
	термопреобразователи
	сопротивления
Термоэлектрические	Термопреобразователи
термометры	(при длительном при-
Пирометры	Монохроматические
	Полного и частичного
	излучения
	Спектрального отно-

В контактных методах требуется непосредственный контакт первичного преобразователя с контролируемым объектом или средой. К ним относятся термометры расширения (стеклянные, манометрические и биметаллические), термометры сопротивления, термоэлектрические термометры.

Бесконтактные методы позволяют измерять температуру на расстоянии от контролируемого объекта или среды. Этот метод используется в пирометрах.

В табл. 3.1 приведены наиболее распространенные средства измерения температуры и примерные пределы их применения.

2.2. Термометры расширения

Принцип действия стеклянных жидкостных термометров основан на тепловом расширении жидкостей. При изменении температуры изменяется объем термометрической жидкости, при этом изменяется положение уровня жидкости в капилляре, по которому отсчитывается значение температуры. Жидкостные термометры изготавливаются из различных марок стекла в виде резервуаров и наполняются различными термометрическими жидкостями или ртутью. Большим преиму-

Рис. 3.1. Лабораторные ртутные термометры:

а - с вложенной шкалой: 1 - стеклянный резервуар; 2 - капилляр; 3 - шкальная пластина; 4 - стеклянная оболочка; б - палочный: 7 - резервуар; 2 - тол-

стостенный капилляр; 3 - шкала на наружной поверхности капилляра

ществом последней является то, что она не смачивает стекло и легко может быть получена химически чистой. Цена деления стеклянных термометров находится в пределах (0,01... 10) °С и определяется назначением термометра и видом применяемой термометрической жидкости. Основная масса выпускаемых термометров по своей конструкции делится на две группы:

2) термометры палочного типа, у которых шкала нанесена непосредственно на внешнюю поверхность толстостенного капилляра (рис. 3.1, б).

По назначению жидкостные термометры подразделяются на лабораторные, технические (производственные) и рабочие эталоны (образцовые). Технические термометры (рис. 3.2) могут быть прямые или угловые (под углом 90 или 120º). Они могут иметь специальное назначение (медицинские, метеорологические и т.д.). Особые технические характеристики (вибростойкие, электроконтактные).

Рис. 3.2. Технические стеклянные термометры:

а - прямой; б - угловой

Термометры манометрические и биметаллические

Принцип действия манометрических термометров основан на изменении давления газа, жидкости или насыщенного пара в замкнутом объеме в зависимости от температуры. Конструктивно термометр состоит из термобаллона 1 , погружаемого в контролируемую среду, манометра 3 для измерения давления и соединяющего их капилляра 2 (рис. 3.3). Такие термометры используются для измерения температур от – 200 до 600 °С и выпускаются следующих разновидностей.

Газовые манометрические термометры применяются для измерения температур в интервале от -200 до 600 °С. В качестве наполнителя используется гелий (при низких температурах), азот (при средних температурах) или аргон (при высоких температурах).

Рис. 3.3. Схема манометрического термометра:

1 – термобаллон; 2 – капилляр; 3 – манометр

Класс точности газовых термометров 1 или 1,5. Они могут выпускаться показывающими или самопишущими, могут снабжаться дополнительными устройствами.

Конденсационные манометрические термометры используются для изме-

рения температур в интервале от –25 до 300 °С. Термобаллон термометра примерно на 3/4 заполнен жидкостью с низкой температурой кипения, а остальная часть заполнена насыщенным паром этой жидкости. Капилляр и манометрическая пружина также заполнены жидкостью. Количество жидкости в термобаллоне должно быть таким, чтобы при максимальной температуре не вся жидкость переходила в пар. В качестве термометрических жидкостей используется фреон-22 (при низких температурах), метил хлористый, этил хлористый, ацетон, толуол, спирт (в порядке возрастания пределов измерения). Давление в термосистеме конденсационного манометрического термометра будет равно давлению насыщенного пара рабочей жидкости, определяемого, в свою очередь, температурой, при которой находится рабочая жидкость, т.е. температурой измеряемой среды с помещенным в нее термобаллоном. Эта зависимость давления насыщения пара от температуры имеет нелинейный вид, она однозначна, когда измеряемая температура не превышает критическую.

Жидкостные манометрические термометры находят небольшое распро-

странение. Они используются для измерения температур в интервале от – 50 до 300 °С. В качестве термометрических жидкостей используется жидкость ПМС-5 при низких температурах, при высоких - жидкость ПМС-10. Рабочее вещество жидкостных манометрических термометров практически несжимаемо. Поэтому изменение объема рабочей жидкости в термобаллоне при изменении температуры соответственно диапазону измерения вызовет такое увеличение давления в термосистеме, при котором манометрическая пружина изменит свой внутренний