89205

Общие сведения об измерении температуры

Лекция

Физика

Одним из основных технологических параметров в химическом производстве является температура. Измерение температуры предполагает построение шкалы температур на основе воспроизведения ряда равновесных состояний реперных точек которым приписаны определенные значения температур...

Русский

2015-05-10

231.5 KB

3 чел.

. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ

7.1. Общие сведения об измерении температуры

Одним из основных технологических параметров в химическом производстве является температура. Температура — фундаментальная физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы.

Измерение температуры предполагает построение шкалы температур на основе воспроизведения ряда равновесных состояний — реперных точек, которым приписаны определенные значения температур, и создания интерполяционных приборов, реализующих шкалу между ними.

Чаще всего используются три температурные шкалы: эмпирические шкалы Цельсия и Фаренгейта и термодинамическая шкала Кельвина. Наиболее употребляемая температурная шкала была предложена А. Цельсием (A. Celsius) в 1742 г. Опорными точками этой шкалы являются температура плавления льда (О °С) и температура кипения воды (100 °С). Первая температурная шкала была введена Г. Фаренгейтом (G. Fahrenheit) в 1715 г. Для нижней опорной точки (0 °F) была использована температура замерзания солевого раствора, а для верхней — температура под мышкой здорового англичанина (96 °F). В 1848 г. лорд Кельвин (У. Томсон) предложил термодинамическую температурную шкалу, основанную на втором законе термодинамики. Термодинамическую температуру («абсолютную температуру») обозначают символом Т. Единицей ее измерения является кельвин (К), определенный как 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды.

Приборы для измерения температуры называют термометрами. Различают контактный и бесконтактный методы измерения температуры.

На рис. 57 выполнено ориентировочное сравнение областей применения термометров наиболее распространенных типов. Естественно, что границы этих областей у различных изготовителей неодинаковы. В ближайшее время предельные температуры применения термометров, особенно электрических, могут быть смещены как в сторону более высоких, так и в сторону низких температур. Штриховыми линиями на рис. 57 показаны области температур, в которых термометры используются только кратковременно.

Рис. 57. Сравнение температурных диапазонов контактных и бесконтактных термометров

7.2. Измерение температуры контактным методом

Рис. 5.58. Область применения контактных и бесконтактных термометров:

1 — термисторы; 2 — пьезоэлектрические; 3 — термопреобразователи сопротивления; 4 — термоэлектрические преобразователи (термопары)

При использовании контактного метода измерения температуры определяют величину одного из параметров первичного измерительного преобразователя (ПИП), зависящего от его температуры. При этом предполагают, что температура ПИП равна температуре измеряемого объекта, которую хотели бы измерить. Для выполнения этого условия необходимо обеспечить хороший тепловой контакт между ПИП и измеряемым объектом, что и дало название методу измерения.

К контактному методу относится измерение температуры термометрами расширения, манометрическими термометрами, термометрами сопротивления, термоэлектрическими термометрами.

Температурные диапазоны применения наиболее распространенных контактных термометров представлены на рис. 5.58.

7.2.1. Термометры расширения

Принцип действия термометров расширения основан на различном тепловом расширении двух разных веществ. К термометрам расширения относят стеклянные жидкостные, дилатометрические, биметаллические, манометрические.

Термометры стеклянные жидкостные

Принцип действия стеклянных жидкостных термометров основан на различии теплового расширения термометрической жидкости (ртути, амальгамы таллия, спирта, других органических жидкостей) и материала оболочки, в которой они находятся (термометрического стекла или кварца). В небольшом интервале температур расширение можно рассчитать по формулам:

или

В выражениях и — объемы термометрической жидкости (м3) при температуре 0и при температуре; — температурный коэффициент объемного расширения,

Замечание

Коэффициент 3 не является постоянной величиной, а зависит от температуры.

Рис. 59. Стеклянные жидкостные термометры: а — обыкновенный с вложенной шкалой; б — электроконтактный с подвижным контактом для установки задания

Для изготовления термометров расширения используют стекла специальных сортов (термометрические) с малым значением температурного коэффициента расширения. Термометры расширения используются для измерения температуры в пределах от —200до 1200с высокой точностью (цена деления образцовых стеклянных термометров составляет 0,01 °С). Наибольшее распространение получили ртутные стеклянные термометры. Основными элементами конструкции являются резервуар с припаянным к нему капилляром, частично заполненные термометрической жидкостью (ртутью), и шкала. Конструктивно различают палочные термометры и термометры со шкалой, вложенной внутрь стеклянной оболочки (рис. 59, а). У палочных термометров шкала наносится непосредственно на поверхности толстостенного капилляра. У термометров с вложенной шкалой капилляр и шкальная пластина с нанесенной шкалой заключены в защитную оболочку, припаянную к резервуару. Разновидностью ртутных стеклянных термометров являются ртутные электроконтактные термометры (рис. 59, б), предназначенные для сигнализации или релейного регулирования температуры.

Термометры дилатометрические и биметаллические

Принцип действия дилатометрических и биметаллических термометров основан на различии линейного расширения твердых тел, из которых изготовлены чувствительные элементы этих термометров. Если температурный интервал невелик, то зависимость длины твердого тела от температуры выражается линейным уравнением вида

где— длина твердого тела при температуре, м;— длина того же тела при температуре; — температурный коэффициент линейного расширения твердого тела,

Схема дилатометрического термометра представлена на рис. 60. Термометр состоит из трубки /, изготовленной из металла с большим коэффициентом линейного расширения (меди, латуни, алюминия), и стержня 2 из материала с малым коэффициентом линейного расширения (инвара, фарфора). Один конец трубки крепится неподвижно к корпусу прибора, а к другому жестко прикреплен стержень. Сама трубка помещается в среду, температуру которой измеряют. Изменение температуры среды приводит к изменению длины трубки, а длина стержня остается практически постоянной. Это приводит к перемещению стержня, который с помощью рычага 3 перемещает стрелку по шкале прибора.

Принцип действия биметаллических термометров основан на различии температурных коэффициентов линейного расширения металлических пластин (например, из инвара и латуни, из инвара и стали), сваренных (спаянных, склепанных) между собой по всей плоскости соприкосновения. Нагревание приводит к деформации такой термобиметаллической пластины; последняя изгибается в сторону металла с меньшим коэффициентом линейного расширения (инвара) (рис. 61). Биметаллические термометры используются в качестве чувствительного элемента в температурных реле, а также для компенсации влияния температуры окружающей среды в измерительных приборах. Дилатометрические и биметаллические термометры для непосредственных измерений температуры применяются сравнительно редко.

Рис. 60. Схема дилатометрического термометра.

Рис. 61. Схема биметаллического термометра

7.2.2. Манометрические термометры

Принцип действия манометрических термометров основан на взаимосвязи между температурой и давлением рабочего вещества в замкнутой системе (термосистеме). Основные части термосистемы (рис. 62): термобаллон /, капиллярная трубка 2 и деформационный манометрический преобразователь 3 (например, трубка Бурдона). Преобразователь связан со стрелкой прибора (манометра) через передаточный механизм, который на рис. 62 не показан. Компенсация погрешности, возникающей из-за влияния температуры окружающей среды на показания манометра, осуществляется биметаллическим компенсатором 4.

 

Рис. 62. Схема манометрического термометра.

Первичным измерительным преобразователем манометрического термометра является термобаллон — элемент термосистемы, воспринимающий температуру измеряемой среды и преобразующий ее в давление рабочего вещества.

В зависимости от вида рабочего вещества манометрические термометры подразделяют на газовые, жидкостные и конденсационные (паро-жидкостные). Газовые и жидкостные манометрические термометры имеют линейную шкалу, а конденсационные — нелинейную.

Принцип действия газовых манометрических термометров основан на зависимости давления газа от температуры при постоянном объеме:

Здесь— давление газа при температуре, Па;— температурный коэффициент расширения газа,

В газовых манометрических термометрах термосистема заполнена газом под избыточным давлением. В качестве рабочего вещества используется обычно азот, аргон, гелий. Газовые манометрические термометры позволяют измерять температуру в диапазоне от -150до +600.

Принцип действия жидкостных манометрических термометров основан на зависимости объема термометрической жидкости (ртути, силиконовых масел, толуола) от ее температуры. Изменение объема жидкости преобразуется с помощью манометрической пружины (трубки Бурдона) в перемещение. Жидкостные манометрические термометры позволяют передавать показания на ограниченное расстояние (до 60 м), а развиваемое ими усилие настолько велико, что к ним могут быть подключены не только показывающие приборы, но и передающие преобразователи или механические регуляторы прямого действия.

Жидкостные манометрические термометры позволяют измерять температуру в диапазоне от -150 °С до +300

В конденсационных манометрических термометрах термобаллон частично заполнен низкокипящей жидкостью, а остальное его пространство — ее парами. Эти термометры имеют преимущество перед газовыми и жидкостными. Давление насыщенного пара в термосистеме зависит только от температуры на границе раздела фаз пар—жидкость, поэтому изменение объема термосистемы и температуры рабочего вещества в капиллярной трубке и манометре не изменяют показаний термометра. Объем термобаллона конденсационных манометрических термометров может быть меньше, чем объем термобаллона газовых и жидкостных манометрических термометров, что благоприятно сказывается на динамических характеристиках термометра.

В качестве рабочего вещества в конденсационных манометрических термометрах используют фреон, пропан, хлористый метил, этиловый эфир, ксилол, ацетон и др. Пределы измерения от —50 °С до +300 "С.

Динамические свойства манометрических термометров всех видов могут быть представлены статическим звеном первого порядка.

7.2.3. Термоэлектрические преобразователи

Термоэлектрический термометр — прибор для измерения температуры, состоящий из термопары в качестве чувствительного элемента и электроизмерительного прибора (милливольтметра, автоматического потенциометра и др.).

Термоэлектрическим преобразователем, или термопарой, называют два разнородных электропроводящих элемента (обычно металлические проводники, реже полупроводниковые), соединенных на одном конце и образующих часть устройства, использующего термоэлектрический эффект для измерения температуры.

Измерение температуры с помощью термоэлектрического преобразователя основано на термоэлектрическом эффекте Зеебека: в замкнутой термоэлектрической цепи, составленной из двух разнородных проводников, возникает электрический ток, если два спая (места соединения) проводников имеют разную температуру.

Термоэлектрический эффект объясняется наличием в проводнике (металле) свободных электронов, число которых в единице объема различно для разных проводников (металлов). Допустим, что в спае с температурой t электроны из проводника А диффундируют в проводник В в заведомо большем количестве, чем обратно. Проводник А заряжается положительно, а проводник В — отрицательно. Появившийся электрический ток генерирует разность потенциалов на двух спаях, известную как контактная разность потенциалов. Она зависит от температуры спаев и ее можно измерить или милливольтметром, или потенциометром.

Спай, помещенный в измеряемую среду с температурой, называют измерительным (горячим или рабочим) или рабочим концом термопары. Второй спай, находящийся при постоянной температуре называют соединительным (опорным, холодным, свободным) или свободным концом термопары. Опорный спай подвержен действию температуры в месте присоединения к измерительному прибору. Опорная температура должна выдерживаться с определенной точностью.

Если существует зависимость термоэлектродвижущей силы (ТЭДС) термоэлектрического преобразователя от температуры рабочего конца и при постоянно заданной температуре свободных концов, то измерение температуры сводится к измерению ТЭДС термоэлектрического преобразователя (предполагая, что температура свободных концов термоэлектрического преобразователя постоянна: ее стандартное значение= О °С). Чтобы подключить измерительный прибор (милливольтметр, либо потенциометр) в термоэлектрическую цепь, ее разрывают (либо в спае с температурой, либо в одном из термоэлектродов, например В, — рис. 63, б, в).

Рис. 5.63. Принцип действия термоэлектрического преобразователя:

а — термоэлектрическая цепь из двух проводников (термоэлектродов) А и В; б — термоэлектрическая цепь с третьим проводником С, включенным между термоэлектродами; в — термоэлектрическая цепь с третьим проводником С, включенным в термоэлектрод В термоэлектрического преобразователя (— температура рабочего спая;— температура опорного спая)

ТЭДС термоэлектрического преобразователя не изменяется от введения в его цепь третьего проводника, если концы этого проводника имеют одинаковые температуры. На этом основании в цепь термоэлектрического преобразователя подключают соединительные провода, измерительные устройства (приборы) и подгоночные сопротивления. Желательно в цепи термоэлектрического преобразователя применять проводники, термоэлектрические свойства которых незначительно отличаются от свойств термоэлектродов.

Основные типы стандартных промышленных термоэлектрических преобразователей приведены в табл. 4, а технические характеристики некоторых из них — в табл. 5.

Таблица 4. Стандартные промышленные термоэлектрические преобразователи

Тип

Обозначение промышленного термопреобразователя

Материалы термоэлектродов

Положительный электрод

Отрицательный

электрод

R

ТПП

Платина 87 %, родий 13 %

Платина

S

ТПП

Платина 90 %, родий 10%

Платина

В

ТПР

Платина 70%, родий 30 %

Платина 94 %, родий 6 %

Константен

J

ТЖК

Железо

(57 % меди, 43 % никеля)

т

ТМК

Медь

Константан

E

ТХК

Никель—хром (хромель)

Константин

К

ТХА

Никель—хром (хромель)

Никель—алюминий (алюмёль)

N

ТНН

Никель—хром—

кремний

(нихром)

Никель—кремний (нихром)

A

ТВР

Вольфрам—рений

Вольфрам—рений

L

ТХК

Хромель

Копель

M

ТМК

Медь

Копель

Рис. 64. Номинальные статические характеристики термоэлектрических преобразователей

Номинально приписываемая термопаре данного типа зависимость ТЭДС от температуры рабочего конца при постоянно заданной температуре свободных концов называется номинальной статической характеристикой (НСХ) преобразования термопары (рис. 64).

НСХ термоэлектрических преобразователей не линейны и могут быть аппроксимированы полиномами:

где E(t, 0), мВ — ТЭДС термопары при температуре рабочего конца и температуре свободного конца= 0;— коэффициенты полинома. В зависимости от природы термоэлектродов и диапазона температур степень полинома п может изменяться от 3 до 14.

В реальных производственных условиях температура свободных концов термопары обычно отличается от температуры= 0 °С, для которой составлены таблицы номинальных статических характеристик, поэтому в показания измерительных приборов необходимо вводить поправку.

7.2.4. Термопреобразователи сопротивления

Принцип действия термометров сопротивления основан на зависимости электрического сопротивления материалов от температуры.

Термометр сопротивления представляет собой комплект, в который входят:

первичный измерительный преобразователь, воспринимающий тепловую энергию и преобразующий изменение температуры в изменение электрического сопротивления;

прибор, измеряющий электрическое сопротивление и отградуированный в единицах измерения температуры.

Первичный измерительный преобразователь термометров сопротивления называют термопреобразователем сопротивления (ТС).

В отличие от термопар, являющихся активными преобразователями (преобразователями генераторного типа), термопреобразователи сопротивления являются пассивными преобразователями (преобразователями параметрического типа). Для них необходим вспомогательный источник энергии, тогда как для термопар он обычно не требуется.

Различают металлические и полупроводниковые термопреобразователи сопротивления. Полупроводниковые термопреобразователи сопротивления называют также термисторами.

Металлические термопреобразователи сопротивления

В качестве материала для металлических ТС используют чаще всего платину, медь и никель, из которых изготовляются технические ТС для измерения температуры в интервале от —200 °С до +750 °С (платиновые) и от —50 °С до +180 °С (медные).

Термопреобразователи сопротивления могут быть охарактеризованы двумя параметрами: — сопротивлением термопреобразователя при температуре 0 °С и— отношением сопротивления термопреобразователя при 100 °С к его сопротивлению при 0 Величина зависит от чистоты материала.

Зависимость сопротивления металлических проводников от температуры может быть с весьма высокой точностью описана уравнениями третьей степени.

При обычных требованиях к точности зависимость сопротивления ТС от температуры можно выразить линейной функцией

где — сопротивление датчика при температуре О °С, Ом; — температура,°С;— температурный коэффициент сопротивления,

Типовые зависимости сопротивления некоторых металлов от температуры приведены на рис. 70. Они свидетельствуют о достаточно высокой линейной взаимосвязи между сопротивлением и температурой (за исключением никеля).

В соответствии с ГОСТ выпускаются термопреобразователи сопротивления следующих номинальных статических характеристик(НСХ) преобразования: платиновые (ТСП) — 1П, 5П, 10П, 50П, 100П, 500П; медные (ТСМ) - 10М, 50М, 100М; никелевые (ТСН) -100Н. Число в условном обозначении НСХ показывает сопротивление термопреобразователя (Ом) при температуре 0

Рис. 70. Зависимость отношениядля некоторых металлов от температуры:

— сопротивление термометра при температуре, Ом;— сопротивление термометра при температуре 0°С (273,15 К), Ом

Конструктивно термопреобразователи сопротивления представляют собой тонкую платиновую или медную проволоку, намотанную бифилярно на специальный слюдяной, фарфоровый или пластмассовый каркас, или свернутую в спираль и вложенную в каналы защитного корпуса. Вариант конструкции термопреобразователя сопротивления изображен на рис. 71. Чувствительный элемент на керамическом каркасе состоит из двух последовательно соединенных платиновых спиралей /. К двум концам этих спиралей припаяны короткие платиновые выводы 3, к которым затем привариваются необходимой длины выводные проводники. Платиновые спирали размещаются в каналах керамического каркаса 2. Крепление платиновых спиралей и выводов в каркасе осуществляется глазурью 4, изготовляемой на основе оксидов алюминия и кремния: коэффициент линейного расширения глазури близок к коэффициентам линейного расширения материала выводов и каркаса. Подгонка номинального сопротивления чувствительного элемента при 0 °С осуществляется постепенным уменьшением длины противоположных концов платиновых спиралей с последующей пайкой в точке 5. Пространство между платиновыми спиралями заполняют порошком оксида для улучшения теплового контакта между витками спиралей и каркасом.

Рис. 71. Схема платинового термопреобразователя сопротивления.

7.2.5. Пьезоэлектрические термопреобразователи

К этой группе можно отнести кварцевые датчики, измеряющие изменение резонансной частоты кварцевого кристалла, зависящей от изменения температуры. Кварцевый измерительный преобразователь работает в рабочем диапазоне от —80 °С до +250 °С, имеет линейную характеристику от -50 °С до +250 °С с точностью 0,04 °С и выдает сигналы, удобные для регистрирующих устройств или последующей цифровой обработки.

7.3. Измерение температуры бесконтактным методом

Бесконтактный способ измерения температуры основан на восприятии тепловой энергии, передаваемой лучеиспусканием и воспринимаемой на расстоянии от исследуемого объекта. Верхний предел измерения температуры таким способом теоретически неограничен. Часто традиционный контактный способ измерения температуры невозможно применить в силу ряда причин: недоступные для прямого контакта поверхности (промышленное оборудование, высокая температура в производстве кирпича, керамики, стекла и т. д., агрессивные вещества); материалы, плохо проводящие теплоту; небольшие размеры объектов (при измерении контактным методом энергия между датчиком и объектом измерения перераспределяется, в результате чего температура объекта может существенно измениться).

Известно, что любая поверхность, температура которой выше абсолютного нуля, испускает тепловую энергию в виде электромагнитного излучения. При поглощении электромагнитного излучения от излучающего тела другими телами электромагнитное излучение вновь превращается в тепловую энергию. Излучение нагретых тел называют тепловым. Температуру тела можно измерить на расстоянии по тепловому излучению, при этом температурное поле объекта измерения не искажается. Следовательно, бесконтактный метод измерений температуры основан на том, что чувствительный элемент средства измерений не приводится в контакт с объектом измерения.

Измерение температуры тел по их тепловому излучению называют пирометрией. Средства измерений температуры тел по тепловому излучению называют пирометрами излучения или просто пирометрами.

Бесконтактные методы измерения температуры теоретически не имеют верхнего температурного предела своего применения. Так, температура источника со сплошным спектром излучения, близкая к 6000 "С, измеряется теми же методами, что и температура, например, и в 1000 °С, и в 2000 "С.

7.3.2. Яркостные пирометры

Наиболее известными из них являются пирометры с «исчезающей» нитью накаливания (рис. 76), применяемые для измерения яркостной температуры в видимой области спектра. Принцип действия: сравнение яркости измеряемого излучения и контрольного излучателя, например, накаленной нити вольфрама.

Сравнить обе яркости можно, например, изменением яркости контрольного излучателя, изменяя мощность нагревания нити в широких пределах. Благоприятная для чувствительности глаза длина волны (0,65 мкм) в области видимой части спектра обеспечивается красным светофильтром. Если в результате уравнивания достигается равенство обеих яркостей, то верхняя часть нити накаливания исчезнет (перестанет быть видимой) на фоне изображения источника измеряемого излучения. Мощность нагревания нити накаливания на пути потока излучения является показателем яркостной температуры измеряемого объекта. Ее считывают по температурной шкале измерительного прибора.

Диапазон измерений температуры для пирометров с «исчезающей» нитью накаливания: 400...5000(в особых случаях до 10 000 °С). Погрешность промышленных пирометров составляет ±1 % от верхнего предела диапазона измерений.

 

Рис. 76. Яркостями пирометр с «исчезающей» нитью накаливания:

/ — объектив; 2, 7— диафрагмы; 3, 6— фильтры; 4— пирометрическая лампа; 5 — окуляр; 8 — реостат; 9 — измерительный прибор

7.3.3. Пирометры спектрального отношения

Действие цветовых пирометров, или пирометров спектрального отношения, основано на перераспределении энергетических яркостей внутри данного участка спектра при изменении температуры. Они определяют яркость излучения измеряемого объекта на двух различных длинах волни. Если соответствующие значения спектральных коэффициентов излученияидостаточно близки между собой (излучатель — серое тело), то определение температуры практически не зависит от абсолютной величины коэффициента излучения, поскольку искомая температура непосредственно определяется отношением яркостей. Для этого в пирометрах с помощью двух светофильтров выделяют два излучения с различными длинами волн и каждое подают на два отдельных фотоэлектрических чувствительных элемента. Затем по выходным сигналам фотоэлектрических элементов формируется их отношение.

Примечание

Тело, коэффициент излучениякоторого не зависит от температуры и длины волны, называют серым.

Диапазон измерения температуры (расплавов металлов) для пирометров спектрального отношения составляет 800...3000 °С, погрешность равна 1...2 % от верхнего предела диапазона измерений.

Замечание

Пирометры спектрального отношения работают более точно, чем радиационные пирометры, поскольку недостоверность определения коэффициента излучения не влияет на результаты измерений.

7.3.4. Пирометры полного излучения

Принцип действия основан на зависимости интегральной энергетической яркости тела в широком спектральном интервале от температуры.

Принято считать пирометр радиационным (полного излучения), если в нем используется не менее 90 % всего излучения, поступающего от измеряемого объекта.

Радиационный пирометр (рис. 77) — это бесконтактный измерительный первичный преобразователь, реагирующий на излучение нагретого тела преимущественно в инфракрасной области спектра с динами волн от 0,75 до 1000 мкм. Оптические линзы и зеркальная система, чувствительные в инфракрасной области спектра, используются, чтобы сфокусировать излучение на миниатюрную термобатарею, состоящую из нескольких последовательно соединенных термоэлектрических преобразователей, или резистивный преобразователь. Радиационные пирометры применяются для измерения не только высоких температур (вплоть до 3500 °С), но и для низких (до —50 °С).

Рис. 77. Радиационный пирометр:

/ — объектив; 2, 5— диафрагмы; 3 — термобатарея; 4 — окуляр; 6 — измерительный прибор


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

59613. Сучасні технології навчання 81.5 KB
  Мета: повторити узагальнити та поглибити знання учнів про іменник удосконалювати вміння розпізнавати іменник серед інших частин мови формувати вміння добирати аргументи на доведення своєї думки розвивати...