Средства измерений температуры. Понятие температуры и температурные шкалы.
Температура означает состояние. Температура определяется как физическая величина, характеризующая термодинамическое состояние объекта и связана с внутренней энергией среды. Часто под температурой понимают степень нагретости тела.
Понятие температуру относится физически к множеству молекул или атомов. От неё зависят многие физические процессы и химические реакции. Этим определяется важность её контроля для технологического процесса. Для измерения температуры долго использовались разные термометры и соответствующие им шкалы. Шкала Цельсия, Фаренгейта, Реомюра…. До определенного времени они удовлетворяли по точности требованиям промышленности и исследовательских организаций. Все они в качестве главных реперных точек использовали температуру таяния льда и температуру кипения воды. Затем этот диапазон представлялся некоторым количеством градусов. Объяснялось все тем, что термоэлектрические свойства, заполняющих термометры жидкостей, были различны. Кельвин предложил использовать в качестве абстрактного термометра машину Карно. Её КПД не зависит от того, на каком веществе она работает. Тем самым было доказано, что принципиально можно построить термоменты, показания которого не будут зависеть от термоэлектрической среды. Т.к. машина Карно является не реализуемой, то и такой термометр тоже абстракция. Предложенная Кельвином шкала получила название абсолютной термодинамической шкалы температур. Потом было предложено использовать газовый термометр, работа которого базируется на уравнении состояния газа – уравнении Клайперона-Менделеева. Однако газовые термометры представляются очень сложными приборами. Которые могут корректно эксплуатироваться метрологическими организациями. Было предложено для создания температурной шкалы использовать чистые вещества, предварительно измерив их температуры кипения и плавления. На этом основании была предложена международная практическая температурная шкала. Основными точками являются 11 точек и 27 вспомогательных. Для определения температур плавления и кипения были использованы газовые термометры. Которые имелись в распоряжении ведущих стран мира. Затем результаты измерений для каждого вещества были усреднены и используются сейчас для воспроизведения этой шкалы. Сейчас используется шкала Кельвина и шкала Цельсия (100-градусная шкала).Дилатометрические и биметалические средства измерения температуры (рис. 36)
Принцип действия основан на явлении расширения твердых тел (обычно металлов) под действием температуры. Известно, что при нагревании металлы расширяются примерно линейно. Lt-длина по температуре t, альфа – коэффициент теплового линейного расширения. Дилатометрический термометр (рис. А) или преобразователь содержит цилиндрический кожух 1, изготовленный из металла с большим альфа. В его внутренне полости расположен инваровый стержень 2 (инвар – сплав, температурный коэффициент расширение его близок к нулю). Кожух 1 закреплен на корпусе 3. при нагревании кожух расширяется и увлекает за собой приваренный к нему инваровый стержень 2. Перемещение свободного конца этого стержня через механическую передачу передеется на стрелку 4, их можно наблюдать по шкале 5. В преобразователях температуры такого типа перемещение свободного конца стержня 2 с помощью преобразователя П преобразуется в один из унифицированных сигналов. Диапазон измерений -330 - +1000 градусов. Класс точности 1-3. Дилатометрический термометры и преобразователи в качестве чувствительного элемента используют биметаллическую пластину. Она состоит из двух металлов, которые сварены по всей поверхности (рис. Б). При нагревании такая пластина изгибается в сторону металла с меньшим значением коэффициента теплового линейного расширения. У нас это металл 2. Обычно из такой пластины изготавливают спирали (рис. В) – гелексы. Один конец спирали 2 приваривается к кожуху 1, а второй к оси 3. при нагревании спираль 2 раскручивается и поворачивает ось 3, а с ней вместе и стрелку 4 вокруг вертикальной оси.
Результат измерений наблюдаем по шкале 5, а при необходимости перемещение угловые оси 3 преобразуются в унифицированный сигнал преобразователем П. Метрологические характеристики идентичны характеристикам дилатоэлектрических приборов.Манометрические средства измерения температуры (рис. 37)
Принцип действия манометрических газовых и жидкостных термометров основан на явлении расширения газа или жидкости при нагревании. (рис. А). они состоят из термобаллона 1 – это емкость, диаметром 20-30мм и длиной 60-80см, Капилляра 2, диаметром 200-500мкм, и манометрического чувствительного пружинного элемента 3. В газовых термометрах во внутреннюю полость данного устройства закачивается газ при давлении 1-3МПа. Это азот или гелий. При нагревании термобаллона, газ расширяется. Если баллон не деформируется, то в системе увеличивается давление (см. изохорный процесс). Обычно такие приборы используются для измерения температуры в диапазоне -150 – 600 градусов. Аналогичный по конструкции жидкостной манометрический термометр. Он заполняется разными органическими жидкостями – толуолом, ксилолом, силиконовыми жидкостями…. При изменении температуры от -150 до +300 градусов. Ртутью для измерений от -30 до +600 градусов. Причем для предотвращения вскипания, она заполняется под давлением 10-15МПа. Недостаток газовых – необходимость использования больших термобаллонов. Для уменьшения погрешность, связанной с изменением температуры газа в капилляре и трубке 3. Недостаток жидкостных – необходимость учета взаимного расположения термобаллона и чувствительного элемента, т.к. при это надо учитывать гидростатическое давление столба жидкости. Парожидкостные манометрические термометры (рис. Б). принцип действия основан на измерении давления насыщенный паров легкокипящей жидкости при изменении температуры. Термобаллон 1 частично заполняется жидкостью, а капилляр 2 и манометрический элемент заполняются парами этой жидкости.
При нагревании давление насыщенных паров увеличивается в соответствии с кривой упругости (рис. В) для данной жидкости. Важным свойством таких измерительных свойств является то, что погрешность от изменения температуры капилляра и трубчатой пружины не возникает по причинам: Если при некоторой постоянной температуре баллона 1 происходит одновременное изменение температуры капилляра 2 и пружинного элемента 3 (например, уменьшение), то часть паров из баллона 1 будет перемещаться в капилляр и пружину 3, будет происходить испарение жидкости до тех пор, пока в соответствии с кривой упругости во всей системе не установится давление насыщенных паров, соответствующее измеряемой температуре. Такое явление позволяет изготавливать Термобаллоны парожидкостных конденсационных термометров очень малыми, при этом не возникают погрешности от изменения температуры капилляра и манометрической пружины. Термобаллоны заполняются пропаном, эфирами…. Диапазон измерений от -30 до +350. недостаток – нелинейность статической характеристики. Длина капилляров до 60 м. Для увеличения точности, а именно исключения погрешности от воздействия температуры на капилляр и манометрический элемент, используются датчики температуры (рис. Г) с унифицированными преобразователями. Здесь манометрический элемент 3 подключается к измерительному рычагу Ир преобразователя силы ЕГСП. При этом длина капилляра сводится к минимуму, а передача информации на расстояние осуществляется по проводам или пневмопроводу. Классы точности 0,5 1 1,5.
Термоэлектрический преобразователь (термопары) рис. 38.
Принцип действия основан на явлении возникновении ЭДС в спаи двух проводников или полупроводников, при воздействии на неё температуры. Он состоит обычно из проводника А и В, которые имеют разную концентрацию свободных электронов. Спай, находящийся при измеряемой температуре t – горячий, он размещается в объекте измерения. Другой спай – холодный.
Сущность появления ЭДС в спае из двух металлов обычно объясняется разной концентрацией в них свободных электронов (рис. А и Б). На рисунке А показано явление возникновение ЭДС в спае двух металлов. Металл А содержит больше электронов, что металл В. Поэтому за счет разности концентраций при соприкосновении металлов, электроны из металла а начинают перемещаться в металл В. Это происходит пока при данной температуре между металлами не возникнет ЭДС, которое будет препятствовать дальнейшему переходу электронов. При этом металл А заряжается положительно. При увеличении температуры. ЭДС может увеличиваться. Кроме явления возникновения разности потенциалов в спае было установлено, что при нагревании проводника А, например, электроны переходят из более нагретого конца к холодному (рис. Б). При этом между концами тоже возникает разность потенциалов. Горячий конец заряжается положительно, а холодный отрицательно. Суммарный ЭДС, который создает ток в контуре ТЭП, определяется разность ЭДС, возникающих в горячем и холодном спае (ф.1). Как видно из формулы, это ЭДС зависит от двух температур, а именной измеряемой и окружающей. Для получения информации об измеряемой температуре надо температуру холодного спая поддерживать постоянной. Только тогда ЭДС термопары будет зависеть только от измеряемой температуры. Если же температуры холодного спая изменяется, то это надо учитывать при использовании ТЭП.Введение поправки на изменение температуры холодного спая (рис. 39)
Обычно для более точных измерений надо учитывать тот факт, что статическая характеристика ТЭП нелинейна. Порядок введения поправки на температуру холодного спая такой: С помощью вспомогательного термометра (например, стеклянного термометра) измеряется температура t0’ в воздухе или в масле. Где располагается холодный спай. Далее измеряется ЭДС, который создает термопара, работая между tизм и t0’. Далее ход определения показан на рисунке стрелками. По суммарному значению (ф.2), использую график статической характеристики или таблицы находят измеряемую температуру.