Измерение температур

Министерство образования Российской Федерации

Магнитогорский Государственный Технический Университет им Г.И. Носова

 Факультет АиВТ

Кафедра Промышленной Кибернетики и Систем Управления

РЕФЕРАТ

По дисциплине: Технические измерения и приборы

На тему:  Измерение температур

Выполнила студентка группы ЭМ-00-1:

Остапенко Д.В.

Проверил:

Сергеев А.И.

Магнитогорск 2002

Содержание

 TOC \o "1-7" \u ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ПОНЯТИЯ.................................................................... PAGEREF _Toc29973809 \h - 3 -

Понятие о температуре и о температурных шкалах.................................................... PAGEREF _Toc29973810 \h - 3 -

Современная Международная температурная шкала.................................................. PAGEREF _Toc29973811 \h - 6 -

Устройства для измерения температур.......................................................................... PAGEREF _Toc29973812 \h - 8 -

Контактные методы измерения температуры................................................................... PAGEREF _Toc29973813 \h - 9 -

Термометры расширения............................................................................................. PAGEREF _Toc29973814 \h - 9 -

Жидкостные стеклянные термометры....................................................................... PAGEREF _Toc29973815 \h - 9 -

Погрешности и поверка жидкостных стеклянных термометров......................... PAGEREF _Toc29973816 \h - 11 -

Биметаллические и дилатометрические термометры............................................ PAGEREF _Toc29973817 \h - 12 -

Манометрические термометры................................................................................. PAGEREF _Toc29973818 \h - 14 -

Термометры сопротивления......................................................................................... PAGEREF _Toc29973819 \h - 16 -

Общие сведения о термометрах сопротивления.................................................... PAGEREF _Toc29973820 \h - 16 -

Платиновые термометры сопротивления............................................................... PAGEREF _Toc29973821 \h - 17 -

Медные термометры сопротивления....................................................................... PAGEREF _Toc29973822 \h - 19 -

Термоэлектрические преобразователи........................................................................ PAGEREF _Toc29973823 \h - 21 -

Бесконтактные методы...................................................................................................... PAGEREF _Toc29973824 \h - 25 -

Яркостные (оптические) пирометры....................................................................... PAGEREF _Toc29973825 \h - 35 -

Радиационные пирометры........................................................................................ PAGEREF _Toc29973826 \h - 38 -

Цветовые пирометры.................................................................................................................... PAGEREF _Toc29973827 \h - 43 -

Список литературы:........................................................................................................... PAGEREF _Toc29973828 \h - 45 -

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ПОНЯТИЯ

 Понятие о температуре и о температурных шкалах

Температурой называют величину, характеризующую тепловое состояние тела. Согласно кинетической теории температуру определяют как меру кинетической энергии поступательного движения молекул. Отсюда температурой называют условную статистиче­скую величину, прямо пропорциональную средней кинетической энергии молекул тела.

По второму закону термодинамики температуру Т можно опре­делить из отношения температур Т\ и Т₂ и отношения соответствую­щих количеств тепла Q₁ и Q₂, полученного и отданного в цикле Карно:

Отсюда можно установить численные значения температуры, если принять некоторые значения ее для двух основных реперных точек. Поэтому температурой можно назвать меру отклонения тер­модинамического состояния тела от произвольно выбранного состоя­ния теплового равновесия.

Температура не поддается непосредственному измерению. По­этому о состоянии теплового равновесия и о значении температуры судят по изменению физических свойств тел.

Первым устройством,, созданным для измерения температуры, считают водя­ной термометр Галилея (1597 г.) Термометр Галилея не имел шкалы и был, по существу, лишь индикатором температуры. Полвека спустя, в 1641 г., неизвестным для нас автором был изготовлен термометр со шкалой, имеющей произвольные деления. Спустя еще полвека Ренальдини впервые предложил принять в качестве постоянных точек, характеризующих тепловое равновесие, точки плавления льда и кипения воды. При этом температурной шкалы еще не существовало. Первая температурная шкала была предложена и осуществлена Д. Г. Фаренгейтом (1724 г.). Температурные шкалы устанавливались произвольным выбором нулевой и других постоянных точек и произвольным принятием интервала температуры в качестве единицы.

Фаренгейт не был ученым. Он занимался изготовлением стеклянных прибо­ров. Ему стало известно, что высота столба ртутного барометра зависит от температуры. Это навело его на мысль создать стеклянный ртутный термометр с градусной шкалой. В основу своей шкалы он положил три точки: 1 — «точка сильнейшего холода (абсолютный нуль)», получаемая при смешениях в определенных пропорциях воды, льда и нашатыря, и принятая им за нулевую отметку (по на­шей современной шкале, равная примерно -17,8°С); 2— точка плавления льда, обозначенная им +32°, и 3 — нормальная температура человеческого тела, обо­значенная +96° (по нашей шкале +35,6°С). Температура кипения воды перво­начально не нормировалась и лишь позднее была установлена +212° (при нор­мальном атмосферном давлении).

Через несколько лет, в 1731 г. Р. А. Реомюр предложил использовать для стеклянных термометров спирт такой концентрации, который при температуре плавления льда заполнял бы объем в 1000 объемных единиц, а при температуре кипения расширялся бы до 1080 единиц. Соответственно температуру плавления льда Реомюр предложил первоначально обозначить 1000°, а кипения воды 1080* (позднее 0° и 80°).

В 1742 г. А. Цельсий, используя ртуть в стеклянных термометрах, обозначил точку плавления льда за 100°, а точку кипения воды за 0°. Такое обозначение ока­залось неудобным и спустя 3 года Штремер (или возможно К. Линней) предло­жил изменить обозначения, принятые вначале Цельсием, на обратные.

Был предложен и ряд других шкал. М. В. Ломоносов предложил жидкостный. термометр со шкалой 150° в интервале от точки плавления льда до точки кипения, воды. И, Г. Ламберт (1779 г.) предлагал воздушный термометр со шкалой 375°, принимая за 1° одну тысячную часть расширения объема воздуха. Известны так­же попытки создать термометры на основе расширения твердых тел (П. Мушен-брук, 1725 г.).

Все предлагаемые температурные шкалы строились (за редким исключением) одинаковым путем: двум (по меньшей мере) посто­янным .точкам присваивались определенные числовые значения и предполагалось, что видимое термометрическое свойство используемого в термометре вещества линейно связано с темпера­турой t:

где k— коэффициент пропорциональности;

Е — термометрическое свойство;

D — постоянная.

Принимая для двух постоянных точек определенные значения температур, можно вычислить постоянные k и D и на этой основе построить температурную шкалу. К сожалению, как выяснилось позднее, коэффициент k нельзя было считать постоянным. При изменении температуры коэффициент k меняется, причем различно для разных термометрических веществ. Поэтому термометры, по­строенные на базе различных термометрических веществ с равно­мерной градусной шкалой, давали при температурах, отличающихся от температур постоянных точек, различные показания. Последние становились особенно заметными при высоких (много больших температуры кипения воды) и очень низких температурах.

В 1848 г. Кельвин (У. Томсон) предложил построить темпера­турную шкалу на термодинамической основе, приняв за нулевое значение температуру абсолютного нуля и обозначив температуру плавления льда +273,1°. Термодинамическая температурная шкала базируется на втором законе термодинамики. Как известно, работа в цикле Карно пропорциональна разности температур и не зависит от термометрического вещества. Один градус по термодинамической шкале соответствует такому повышению температуры, которое отвечает 1/100 части работы по циклу Карно между точками плав­ления льда и кипения воды при нормальном атмосферном давле­нии.

Термодинамическая шкала тождественна шкале идеального газа, построенной на зависимости давления идеального газа от температуры. Законы изменения давления от температуры для реальных газов отклоняются от идеальных, но поправки на откло­нения реальных газов невелики и могут быть установлены с высокой степенью точности. Поэтому, наблюдая за расширением реальных газов и вводя поправки, можно оценить температуру по термодина­мической шкале.

По мере расширения научных наблюдений и развития промышленного произ­водства возникла естественная необходимость установить какую-то единую темпе­ратурную шкалу. Первая попытка в этом направлении была предпринята в 1877 г., когда Международный комитет мер и весов принял в качестве основной темпера­турной шкалы стоградусную водородную шкалу. За нулевую отметку была при­нята точка таяния льда, а за 100°- точка кипения воды при нормальном атмо­сферном давлении 760 мм. рт. ст. Температура определялась по давлению водо­рода в постоянном объеме. Нулевая отметка соответствовала давлению 1000 мм. рт. ст. Градусы температуры по этой шкале очень близко совпадали с градусами термодинамической шкалы, однако практическое применение водородного термо­метра ограничивалось из-за небольшого интервала температур примерно от -25 до +100°

В начале XX в. широко применялись шкалы Цельсия (или Фа­ренгейта — в англо-американских странах) и Реомюра, а в научных работах — также шкалы Кельвина и водородная. При резко возрос­ших потребностях в точной оценке температуры пересчеты с одной шкалы на другую создавали большие трудности и приводили к ряду недоразумений. Поэтому после нескольких лет подготовки и пред­варительных временных решений VIII Генеральная конференция мер и весов приняла в 1933 г. решение о введении Международной температурной шкалы (МТШ). Это решение было в законодатель­ном порядке утверждено большинством развитых стран мира. В СССР Международная температурная шкала была введена с 1 ок­тября 1934 г. (Общесоюзный стандарт ОСТ ВКС 6954).

Международная  температурная шкала является  практическим осуществлением   термодинамической  стоградусной температурной шкалы, у которой температура плавления льда и температура ки­пения воды при нормальном атмосферном давлении соответственно-обозначены через 0° и 100°.

МТШ основывается на системе постоянных, точно воспроизво­димых температур равновесия (постоянных точек), которым при­своены числовые значения. Для определения промежуточных температур служат интерполяционные приборы, градуированные по этим постоянным точкам.

Температуры, измеряемые по международной шкале, обозна­чаются через ^СС. В отличие от градусов шкалы Цельсия — базиру­ющейся также на точках плавления льда и кипения воды при нор­мальном атмосферном давлении и имеющей обозначения 0° и 100°С, но построенной на иной основе (на линейной зависимости между температурой и расширением ртути в стекле), градусы по международной шкале стали называть «градусами международ­ными» или «градусами стоградусной шкалы».

Основные постоянные точки МТШ и присвоенные им числовые значения температур при нормальном атмосферном давлении при-_; водятся ниже:

а) температура равновесия между жидким и газооб­разным кислородом (точка кипения   кислорода -182,97

б) температура равновесия между льдом и   водой,  насыщенной воздухом (точка плавления льда) 0.000°

в) температура равновесия между жидкой водой и ее паром (точка кипения воды) 100,00⁰

г) температура равновесия между жидкой серой и ее паром  (точка кипения серы) 414,60°

д) температура равновесия между твердым и жидкимсеребром (точка затвердевания серебра)  960.5⁰

е) температура равновесия  между твердым и жидким золотом (точка затвердевания золота) 1063,0°

Для постоянных точек по пунктам а, в, г, в ОСТ ВКС 6954 даются формулы определения значений температур при атмосфер­ных давлениях, отличающихся от нормальных. Там же приведены формулы и правила интерполяции и экстраполяции температур от —190° и до неограниченно высоких.

Чтобы наглядно представить расхождения между МТШ и шка­лой Цельсия, приведем сравнительную таблицу значений темпе­ратуры для одинаковых условий измерения по данным М. М. По­пова . Как видно из табл. 1, эти расхождения при высоких температурах (более 200°С) имеют весьма большие значения.

Таблица   1

Значения температур в одинаковых условиях измерения

Современная Международная температурная шкала

Опыт применения Международной температурной шкалы пока­зал на необходимость внесения в нее ряда уточнений и дополнений, чтобы по возможности максимально приблизить ее к термодинами­ческой шкале.

В 1948 г. МТШ была пересмотрена и приведена в соответствие •с состоянием знаний того времени. В 1960 г. Международный коми­тет мер и весов принял исправленные числовые значения темпера­тур шкалы 1948 г. и утвердил но­вое  «Положение  о   международ­ной практической  температурной шкале  1948 г. Редакция 1960 г.».

Рис. 1. Схема   фазовых   состоя­ний воды   (в   безмасштабном изо­бражении): ж _ зона жидкой фазы; П — зона па­ровой фазы; К — зона кристаллической фазы; / — тройная точка; 2 — точка плавления льда; 3 — точка кипения воды

Международная практическая температурная шкала    (МПТШ), так же как   и МТШ,  базируется на  шести постоянных  первичных точках.   Однако   в   МПТШ были внесены следующие уточнения;

1)  вместо точки плавления льда рекомендуется в качестве постоянной точки использовать лучше воспроизводимую точку равновесия между льдом, жидкой водой и водяным паром  (тройную точку воды), которой присваива­лось численное значение +0,01° (рис. 1); точка плавления льда

с присвоенным ей числовым значением 0,000° была отнесена  к ка­тегории вторичных постоянных точек;

2)          температуре равновесия между твердым и жидким серебром (точке затвердевания серебра) присваивалось новое  числовое зна­чение 960,8°;

3)          все постоянные точки  (кроме тройной точки воды)  определяются в состоянии равновесия при одной нормальной атмосфере, равной давлению 101 325 н/м²;

4)          вместо точки кипения серы рекомендуется применять точку равновесия между твердым и жидким цинком   (точка затвердева­ния цинка), которой присваивается значение 419,505°С.

Температуры по МПТШ выражаются в градусах Цельсия, обо­значаемых °С или, когда требуется особо подчеркнуть, что темпера­туры даются по МПТШ — °С (межд. 1948), что соответственно обо­значается символами t и t_межд  Для термодинамической шкалы Кельвина температуры обозначаются символом Т, а числовые зна­чения сопровождаются значком °К. Температура тройной точки принимается равной 273,16°К.

За 25 лет применения Международной температурной шкалы (МТШ), старая шкала Цельсия, основанная на использовании ли­нейной зависимости между температурой и видимым расширением ртути, вышла из употребления. Это позволило градусы по МПТШ называть градусами Цельсия, хотя от старой шкалы Цельсия в МПТШ остались лишь две постоянные точки: плавления льда и кипения воды с присвоенными им значениями 0 и 100°С.

Таблица   2

Некоторые определяющие постоянные точки МПТШ-68

В 1968.г. Международный комитет мер и весов, в соответствии с решением XIII Генеральной конференции по мерам и весам, при­нял новую Международную практическую шкалу 1968 г. — МПТШ-68, заменяющую действующую шкалу МПТШ (1948 г.).

МПТШ-68 выбрана таким образом, чтобы температура, изме­ренная по этой шкале, была близка к термодинамической температуре, и разности между ними оставались в пределах современной точности измерений.

Основная единица термодинамической температуры Т названа кельвин и обозначается символом К – Кельвин есть 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды. Единица, применяемая для выражения температуры Цельсия, градус Цель­сия (°С), равна кельвину. Разность температур может быть выра­жена либо в Кельвинах, либо в градусах Цельсия.

Температура Цельсия / = Т — 273,15К.

МПТШ-68 основана на значениях температур, присвоенных оп­ределенному числу воспроизводимых состояний (определяющих постоянных точек), часть которых приведена в табл. 2. По МПТШ-68 значительно расширен диапазон измерения низких тем­ператур—до 13,81 К. Уточнен порядок воспроизводства постоян­ных точек, интерполяции между постоянными точками и определе­ния температурной шкалы выше последней постоянной точки (про­ект ГОСТа «Единицы физических величин»).

МПТШ-68 введена, как обязательная, с 1 января 1971 г.

Устройства для измерения температур

Температуру измеряют с помощью устройств, использующих различные термометрические свойства жидкостей, газов и твердых тел. Существуют десятки различных устройств, применяемых в про­мышленности, при научных исследованиях и для специальных це­лей. В табл. 2-3 приведены наиболее распространенные устройства для измерения температуры и практические пределы их примене­ния.

До последнего времени узаконенных терминов и их определении для устройств измерения температуры не существовало. Только в июле 1968 г. был введен в действие новый ГОСТ 13417—67, уста­навливающий такие понятия. Приведем некоторые из них.

Таблица   3

Практические пределы применения наиболее распространенных устройств для промышленных измерении температур

Термометром называют устройство (прибор), служащее для измерения температуры путем преобразования ее в показания или сигнал, являющийся известной функцией температуры.

Чувствительным элементом термометра называют часть термо­метра, преобразующую тепловую энергию в другой вид энергии для получения информации о температуре.

Различают термометры контактные и бесконтактные. Чувстви­тельный элемент контактного термометра входит в непосредствен­ное соприкосновение с измеряемой средой-

Пирометром называют бесконтактный термометр, действие ко­торого основано на использовании теплового излучения нагретых тел.

Термокомплектом называют измерительную установку, состоя­щую из термометра, не имеющего собственной шкалы, и вторич­ного прибора, преобразующего выходной сигнал термометра в чис­ленную величину.

Контактные методы измерения температуры

Термометры расширения

Жидкостные стеклянные термометры

Самые старые устройства для измерения температуры — жидко­стные стеклянные термометры — используют термометрическое свойство теплового расширения тел. Действие термометров осно­вано на различии коэффициентов теплового расширения термомет­рического вещества и оболочки, в которой оно находится (термо­метрического стекла или реже кварца).

Рис. 2. Схема жидкост­ного стеклян­ного тер­мометра

Жидкостной термометр состоит из стеклянных баллона /, ка­пиллярной трубки 3 и запасного резервуара 4 (рис. 2). Термомет­рическое вещество 2 заполняет баллон и частично капиллярную трубку. Свободное пространство в капил­лярной трубке и в запасном резервуаре заполняется инертным газом или может находиться под вакуумом (при температурах меньше +ЮО°С). Запасный резервуар или выступающая за верхним делением шкалы часть капил­лярной трубки служит для предохранения термометра от порчи при чрезмерном перегреве.

О температуре судят по величине видимого измене­ния объема термометрического вещества. Температуру отсчитывают по высоте уровня в капиллярной трубке. Градусная шкала наносится либо непосредственно на внешнюю поверхность массивного толстостенного капил­ляра (палочный термометр), либо на специальную шкальную пластинку, располагаемую внутри внешней стеклянной оболочки термометра (термометр с вложен­ной шкалой), либо на прикладную шкальную пластинку, к которой прикрепляется капиллярная трубка.

В качестве термометрического вещества чаще всего применяют химически чистую ртуть. Она не смачивает стекла и остается жидкой в широком интервале темпера­тур. Некоторым недостатком ртути является малое зна­чение ее коэффициента расширения. Нижний предел из­мерения ограничивается температурой затвердевания ртути и ра­вен минус 35°С. Верхний предел измерения ртутным термометром определяется допустимыми температурами для стекла: 600°С у об­разцовых термометров и 500°С у технических (ГОСТ 2823—59). При замене стекла кварцем верхний предел измерения несколько уве­личивается.

Так как температура кипения ртути при нормальном атмо­сферном давлении равна 35б,58°С, то для термометров, предназна­ченных для измерения высоких температур, пространство над ртутью в капиллярной трубке заполняется инертным газом под дав­лением. Для термометров со шкалой до 500°С давление газа дости­гает 20 бар (20- 10⁵ н/м²).

Основные достоинства стеклянных жидкостных термометров — простота употребления и достаточно высокая точность измерения даже для термометров серийного изготовления.

К недостаткам стеклянных термометров можно отнести: плохую видимость шкалы (если не применять специальной увеличительной оптики) и невозможность автоматической записи показаний (если исключить применение замедленной киносъемки), передачи пока­заний на расстояние (если не пользоваться средствами телевиде­ния) и ремонта (разбитый термометр восстановить нельзя!).

Стеклянные жидкостные термометры имеют весьма широкое применение и выпускаются следующих основных разновидностей.

1. Технические (ГОСТ 2823—59) ртутные, с вложенной шкалой, с погружаемой в измеряемую среду нижней частью, прямые (рис. 3-2, а) и угловые (рис. 3-2, б, в). Термометры изготовляются со шкалами от -35 до + 50°С и от 0°С до 50; 100; 150; . . .; 500°С. Цена наименьшего деления шкалы в пределах измерения до +50°С

Рис  3.-2. Основные разновидности   жидкостных   стеклянных  термо­метров:

а — технический, ртутный, с вложенной шкалой, прямой; бив — угловые; е - лабораторный, ртутный, палочный; д — то же, с вложенной шкалой; е — спиртовой, для наружного воздуха, с прикладной шкальной пластинкой; ж — ртутный, электроконтактный, с неподвижными контактами.

составляет 0,5 или 1°С и, постепенно возрастая,  достигает  5   или 10°С при верхних пределах измерений 450 и 500°С.

2.       Лабораторные (ГОСТ 215—57) ртутные, палочные или с вло женной шкалой (рис. 3-2, г и д), погружаемые в измеряемую среду до отсчитываемой температурной отметки, прямые, небольшого наружного диаметра  (5—11 мм). Термометры по пределам измерения и цене деления шкалы подразделяются на четыре группы. Наиболее точные термометры с ценой деления шкалы 0,1°С имеют интервал   измерения   50°С,  например   от   +150  до   +200°С   (не   выше + 350°С). Верхний предел измерения для шкал, начинающихся  от 0°С, равен 500°С при цене деления шкалы 2°С.

3.       Жидкостные   (не   ртутные)    термометры    (ГОСТ    9177—59) выпускаются в различном конструктивном оформлении, в том числе с прикладной  шкальной   пластинкой   (рис.  3-2, в), для  измерения температур от — 190 до + 100°С.

4.       Повышенной   точности   и  образцовые   ртутные  термо'метры с   верхним   пределом   измерения   600°С    характеризуются   малой ценой деления шкалы — до 0,01°С.

5.       Электроконтактные ртутные термометры с вложенной  шкалой, с впаянными в капиллярную трубку контактами для  разрывания (или замыкания) столбиком ртути электрической цепи. Изготовляются для измерения либо постоянной температуры контактирования  (рис. 3-2,ж), либо произвольно изменяемой в пределах от О до 300°С (ГОСТ 9871—61).

6.       Специальные термометры, в том числе максимальные (медицинские и др.), минимальные, метеорологические и другого назначения.

 Погрешности и поверка жидкостных стеклянных термометров

Допустимые погрешности измерения технических термометров не должны превышать одного деления (цены деления) шкалы. Так, для пределов измерения от 0 до 100°С при цене деления в 1 или 2°С допустимая погрешность составляет ±1 или ±2°С

Для остальных разновидностей термометров допустимые погреш­ности при одной и той же цене деления устанавливаются различ­ными для разных температурных интервалов. Так, например, у ла­бораторных термометров с ценой деления шкалы О,ГС и пределами измерения от 0 до +50°С допустимая погрешность составляет ±0,2°С, а для пределов измерения от +250 до +300^ЪС возрастает до ±0,8°С.

Допустимая погрешность показаний у образцовых термометров много ниже. Так, например, для температурного интервала от 0 до + 60°С, при цене деления шкалы О.ОГС допустимая погрешность не должна превышать ±0,03°С. Для других методов измерения температуры такие ничтожные погрешности практически не дости­жимы.

Поверка показаний жидкостных термометров производится в термостатах* путем сличения с образцовыми приборами более высокого класса точности.

Поверка положения нулевой точки в ледяном термометре обя­зательна для всех термометров, на шкале которых она нанесена. Нулевую точку поверяют обычно дважды: до начала поверки шкалы и сразу после поверки ее максимальной отметки. Положения нулевой точки в обоих случаях могут не совпадать за счет явления термического последействия (когда стекло не сразу принимает те размеры, которые соответствуют нулевой температуре). Совре­менные термометры в процессе изготовления подвергаются искус­ственному старению и отжигу, что снижает температурную депрес­сию за счет термического последействия до значения, не превышаю­щего обычно максимально допустимую погрешность термометра.

Поверка в точке кипения воды производится в паровом термо­стате • (водяном кипятильнике). Температуру определяют по величине атмосферного давления с поправкой на избыточное дав­ление в кипятильнике.

Для поверки отрицательных температур до минус 80°С исполь­зуют криостат, заполняемый спиртом или другой незамерзающей жидкостью. Температуры в интервале от +1 до +95°С поверяют в водяном, в интервале от +95 до 300°С — в масляном и в интер­вале от 300 до 600°С — в солевом термостате.

У лабораторных и других термометров, градуируемых и пред­назначенных для измерения при погружении в измеряемую среду до отсчитываемого деления, могут возникать систематические погрешности за счет выступающего столбика термометра. Если капиллярная трубка будет погружена в измеряемую среду не пол­ностью (рис. 3), то температура выступающей части капиллярной трубки будет отличаться от температуры измеряемой среды, в ре­зультате возникнет погрешность измерения. Поправку в градусах на выступающий столбик в показания термометра можно внести по уравнению

 Рис. 3. Возможные случаи погружения термометра  в из­меряемую среду:

а — полное;   б — с   выступающим   столбиком

где  — коэффициент видимого  объемного  теплового   расширения термометрической жидкости в стекле,   град^-1 ; t — действительная температура измеряемой среды, °С; t_в._с — температура выступающего   столбика,   измеренная   с   по­мощью вспомогательного термометра, °С; n — число градусов в выступающем столбике. У термометров, предназначенных для работы с неполным погру­жением,  может возникнуть  аналогичная систематическая  погрешность, если температура окружающей среды, а следовательно, и выступающего столбика будет отличаться от его температуры при градуировке. Поправка, град, в этом случае

где t' — температура выступающего столбика при градуировке, °С (в первом приближении допустимо считать t'=+20°C); t" — средняя температура выступающего столбика, °С.

Поправки по (1) и (2) могут иметь большие значения у тер­мометров с органическими термометрическими жидкостями, для которых коэффициент у примерно на порядок выше, чем у ртутных термометров.

Биметаллические и дилатометрические термометры

Действие биметаллических и дилатометрических термометров основано на термометрическом свойстве теплового расширения различных твердых тел.

В биметаллических термометрах в качестве чувствительного элемента используют пластинки или ленты, состоящие из двух слов разнородных металлов, характеризуемых различными коэффициен­тами теплового расширения. Чаще всего применяют медноцинковый сплав — латунь (70% Cu + 30% Zn) и сплав железа с никелем —инвар (64% Fe + 36% Ni), с существенно различными коэф­фициентами теплового расширения: порядка 0,000019 град^-1 для латуни и 0,000001 град^-1 для инвара. При изменении температуры биметаллической пластинки она деформируется (рис.4) вслед­ствие неодинакового расширения отдельных слоев пластинки. Если закрепить неподвижно один конец пластинки, то по перемещению другого конца, соединенного с указателем, можно судить об изме­нении температуры.

Чувствительные элементы биметаллических термометров обычно выполняют в форме спиралей, соединяемых со стрелочным указате­лем. Такие термометры класса точности 2,0 или 2,5 применяют для измерения температуры атмосферного воздуха.

Биметаллические элементы используют иногда для корректи­ровки показаний измерительных приборов при изменении темпера­туры окружающей среды (см. рис. 10-9).

Рис. 4. Схема чувствительного элемента биметаллического термометра:

а — при   нормальной    температуре;    б — при    повышенной;  1 — латунь;  2 — инвар

Дилатометрические термометры как указатели температуры обычно не применяют. Их используют в качестве устройств инфор­мации (датчиков) в системах автоматического регулирования. На рис. 5 показано одно из таких устройств. Чувствительный

Рис. 3-5. Схема дилатометрического устройства измере­ния температуры.

элемент выполнен из металлической оболочки 1  и кварцевого или фарфорового стержня 2. Рычаги 3 и  4  пропорционально увеличивают разность расширения оболочки и стержня и создают входной сигнал для гидравлического усилительного устройства 5 автомати­ческого регулятора температуры в трубопроводе 6.

Биметаллические и дилатометрические термометры на практике применяют сравнительно редко.

 Манометрические термометры

Действие манометрических термометров основано на использо­вании зависимости давления  вещества при постоянном объеме от температуры. Замкнутая измерительная система манометрического термометра состоит (рис. 3-6)  из чувствительного  элемента,   вос­принимающего температуру   измеряемой   среды, — металлического термобаллона   /, рабочего  элемента   манометра   2,   измеряющего давление  в  системе,  и  длинного соединительного    металлического капилляра 3. При изменении тем­пературы 'измеряемой среды дав-ление в системе изменяется, в ре­зультате     чего     чувствительный элемент перемещает стрелку или перо по шкале манометра, отгра­дуированного в градусах   темпе-ратуры. Манометрические термометры часто используют в систе­мах  автоматического регулирОВЗ-ния температуры, как бесшкальные устройства информации (дат­чики).

Рис 6. Схема  манометрического термометра

Манометрические термометры подразделяют на три основных разновидности:

1)         жидкостные, в которых вся  измерительная система  (термобаллон,  манометр  и  соединительный   капилляр)   заполнена   жидкостью;

2)         конденсационные   (по старым терминологиям:  паровые или парожидкостные), 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;

3)         газовые,  в  которых вся  измерительная система   (термобаллон, манометр и капилляр) заполнена инертным газом.

Достоинствами манометрических термометров являются: сравни тельная простота конструкции и применения, возможность дистан­ционного измерения температуры (передачи показаний на расстоя­ние) и возможность автоматической записи показаний.

К недостаткам манометрических термометров относятся: относи­тельно невысокая точность измерения (класс точности 1,6; 2,5 или 4,0 и реже 1,0); небольшое расстояние дистанционной передачи показаний (не более 60 м) и трудность ремонта при разгерметиза­ции измерительной системы., у

В жидкостных манометрических термометрах в качестве термо­метрического вещества чаще всего используют ртуть для измерений в интервале температур от -25 до 600°С и реже органические жид­кости: метиловый спирт или ксилол С₆Н₄(СНз)₂ для измерений в интервале температур от -80 до 320°С. Измеритель­ная система заполняется термометрическим веществом под большим начальным давлением (при температуре заполнения). Это необ­ходимо для того, чтобы сни­зить возможные дополни­тельные погрешности за счет гидростатического дав­ления жидкости.

В конденсационных манометрических термометрах наибольшее распространение получили термометрические вещества, приведен­ные в табл. 3-2.

Таблица   3

 Термометрические вещества для конденсационных манометрических термометров

Ртуть используют в устройствах информации (датчиках) неко­торых систем автоматического регулирования.

Верхний предел применения для органических жидкостей обычно выбирают близким к давлению порядка 20 бар.

В качестве передаточной жидкости, заполняющей капилляр и манометр конденсационных термометров, чаще всего применяют глицерин (пропантриоль) в смеси со спиртом или водой.

У конденсационных манометрических термометров возможно появление дополнительных погрешностей: 1) гидростатической (из-за различной высоты расположения термобаллона и мано­метра) и 2) атмосферной из-за колебания атмосферного давления (особенно для начала шкалы). Погрешность за счет температуры окружающей среды теоретически отсутствует, так как изменение объема передаточной жидкости приводит лишь к изменению соот­ношения между жидкой и паровой фазой в термобаллоне, не меняя в нем давления, зависящего только от температуры. Однако прак­тически небольшая погрешность при изменении температуры окру­жающей среды все же наблюдается (за счет манометра) и нормируется (ГОСТ 8624—64) значением до 0,25% на каждые 10°С отклонения температуры от +20°С.

Шкалы конденсационных термометров получаются существенно неравномерными из-за нелинейного соотношения между темпера­турой кипения и соответствующим давлением (рис. 3-8). Рабочая часть шкалы располагается в верхней ее половине. Длина соедини­тельного капилляра достигает 60 м-

Рис. 6.   Зависимости   температу­ры кипения от  давления: / — хлор-метила;     2 — хлор-этила;     3 — ацетона   и  4 — бензола

В газовых манометрических термометрах в качестве термомет­рического вещества обычно используют азот. Область применения газовых термометров по ГОСТ 8624—64 лежит в интервале от — 160 до +600°С.

Дополнительные погрешности могут появиться при изменении температуры окружающей среды (коэффициент теплового расшире­ния газов много больше, чем у жидкостей, и равен приблизительно 0,00365 град^-1). Для уменьшения их приходится увеличивать раз­меры термобаллона и уменьшать сечение капилляра. Чем больше длина капилляра, тем больше по­лучаются размеры термобалло­на. При длине капилляра 60 м термобаллоны газовых термомет­ров, серийно изготовляемых, име­ют наружный диаметр 22 мм, а рабочую длину 435 мм. Такие размеры термобаллона могут создать трудности при установке их в объекты измерения. По ГОСТ 8624—64 допустимая дополнительная приведенная по­грешность газовых термомет­ров при отклонении темпе­ратуры окружающей среды на 10°С не должна превышать 0,5%.

Манометрические термометры не имеют большого применения на тепловых электрических станциях. В промышленной теплоэнер­гетике они встречаются чаще, особенно в случаях, когда по усло­виям взрыве- или пожаробезопасности нельзя использовать элек­трические методы дистанционного измерения температуры.

Поверка показаний манометрических термометров производится теми же методами и средствами, что и стеклянных жидкостных.

Термометры сопротивления

Общие сведения о термометрах сопротивления

Измерение температуры по электрическому сопротивлению тел / / (обычно металлических) основывается на зависимости их сопротив­ления от температуры. У большинства чистых металлов с ростом температуры сопротивление увеличивается приблизительно на 0,4% -град^-1, а у металлов ферромагнитной группы (железо, никель, кобальт)—приблизительно на 0,65% -град"1. Металлические сплавы имеют более низкие температурные коэффициенты вплоть до значений, близких к нулю. Очень большие отрицательные темпе­ратурные коэффициенты, когда сопротивление уменьшается с уве­личением температуры, наблюдаются  у некоторых полупроводниковых соединений.

Электрические термометры сопротивления практически позво­ляют измерять температуру с высокой степенью точности — до 0,02°С, а при измерениях небольшой разности температур — до 0,0005°С. Обязательное наличие источника тока, а также большие размеры чувствительного элемента у термометров сопротивления ограничивают их применение. Если у термопар температура опре­деляется в точке соединения двух термоэлектродов, то у термомет­ров сопротивления — на участке некоторой длины.

Чаще применяют металлические термометры сопротивления. Материалы для термометров сопротивления должны обладать следующими свойствами: а) высоким удельным сопротивлением; б) высоким температурным коэффициентом; в) химической инерт­ностью; г) легкой технологической воспроизводимостью; д) деше­визной; е) постоянством физических свойств во времени.

Металлические сплавы, обладающие обычно высоким удельным сопротивлением, но небольшим температурным коэффициентом, непригодны в качестве материала для термометров сопротивления. Неоднократные попытки широкого использования никеля и железа, обладающих большим температурным коэффициентом и высоким удельным сопротивлением, практически потерпели неудачу. Эти металлы в чистом виде получить трудно. Кроме того, они крайне слабо сопротивляются химическим воздействиям. По разным при­чинам отпала возможность использовать и многие другие металлы. Наиболее подходящими материалами для термометров сопро­тивления оказались платина (для измерений в интервале от —200 до 650°С) и медь (в интервале от —50 до +180°С).

Платина — дорогостоящий материал, химически инертен и легко получается в чистом виде. Удельное сопротивление платины Q₀ = 0,0981 • 10^-6 ом∙м, при 0°С— достаточно большое. При температуре t полное  сопротивление Rt (ом)   термометра   опреде­ляется зависимостями:

для

t>0

для

t<0 (4)

Аналогичные   зависимости   имеет   и   удельное    сопротивление

Q_t, _ОМ/М.

Для платины марки Пл-2 (ГОСТ 8588—64), применяемой обычно в стандартных термометрах сопротивления, коэффициенты в (3) и (4) имеют значения: А =3,96847∙10^-3 град^-1; В = -5,847∙ 10^-7 град^-2; С= -4,22∙10^-12 град^-4

Чистота платины характеризуется отношением сопротивления rioo при температуре 100°С к сопротивлению R₀ при 0°С. Для пла­тины марки Пл-2 по (3) отношение Rm : R₀= 1,391. Особо чистая платина марки Пл-0 характеризуется отношением R ₁₀₀ :R₀ = 1,3925. Чем больше загрязнена платина, тем меньше это отноше­ние.

Медь обладает малым удельным сопротивлением Q₀ =0,0155-10^-6 ом-м. Медь получается электролитическим путем, поэтому даже обычные торговые сорта меди отличаются высокой степенью чистоты. Медные провода в различной изоляции выпуска­ются в широком ассортименте практически любых сечений. Однако при высоких температурах наблюдается интенсивное окисление даже изолированных медных проводников,.что ограничивает верх­ний предел измерения. Температура +180°С является допустимым пределом применения лаковой изоляции проводов.

В применяемом интервале температур от —50 до +180°С сопро­тивление меди практически линейно зависит от температуры. Отно­шение R₁₀₀: R₀= 1,426.

Кроме чистых металлов, для термометров сопротивления ис­пользуются также некоторые полупроводниковые материалы .

При измерениях сопротивлений ток, протекающий по термо­метру, должен быть небольшим. Иначе выделение тепла может при­вести к заметной разности температур термометра и окружающей среды. Для технических термометров тепловая энергия, выделяемая в термометре, или мощность рассеивания должна быть не более 10 мет, а для полупроводниковых термометров (разных типов)— не более 0,3—2 мет.

 Платиновые термометры сопротивления

Технические термометры  (тип ТСП)   чаще всего  выполняются в конструктивной форме, показанной на рис. 7.

Неизолированную платиновую проволоку 1 диаметром 0,07 мм бифилярно наматывают на слюдяную пластинку 2 с зубчатыми краями. Бифилярная намотка необхо­дима для того, чтобы исключить появле­ние индуктивного сопротивления. Пла­стинка с намотанной на ней платиновой проволокой покрывается с двух сторон слюдяными пластинками таких же разме­ров. Все три пластинки скрепляются се­ребряной лентой 4 в пакет. К каждому концу платиновой проволоки приварива­ется подводящий провод 3 из серебра диаметром 1 мм. Подводящие провода изолируются фарфоровыми бусами 5 и присоединяются к зажимам на головке термометра. Такой чувствительный эле­мент помещают в тонкостенную алюми­ниевую трубку 6 (рис. 7), в нижней части которой расположен массивный вкладыш 7 с плоской прорезью для чув­ствительного элемента. Вкладыш улучша­ет условия теплопередачи от трубки к чувствительному элементу. Алюминие­вую трубку вместе с подводящими прово­дами помещают во внешний защитный чехол 8, выполняемый обычно из сталь­ной трубы.

Внешний вид и размеры термометров такие же, как и у термоэлектрических термометров . Длина чувст­вительного элемента во всех конструк­циях обычно не меньше 90—100 мм.

Рис. 7. Конструктивная схема    платиновых   тер­мометров       сопротивле­ния: а — схема бифилярной на­мотки проволоки / на слю­дяную пластинку 2; б—чув­ствительный элемент тер­мометра в арматуре

У термометров с уменьшенной тепло­вой инерцией массивный вкладыш не при­меняется и пакет из трех слюдяных пла­стин помещается между двумя пружиня­щими лепестками из тонкого (0,1 мм) дюралюминия.

Термометры малоинерционные (с по­стоянной времени менее 9 сек) имеют чув­ствительный элемент иной конструкции: платиновая проволока, намотанная на

стеклянный стержень, оплавляется стеклом и помещается во внеш­ний защитный чехол с наружным диаметром 10 мм.

У термометров, предназначенных для измерения отрицательных температур, алюминиевая трубка с чувствительным элементом заливается парафином для защиты от образования конденсата.

Термометры могут быть выполнены также двойными (с двумя электрически изолированными друг от друга чувствительными эле­ментами и с четырьмя зажимами на головке термометра).

Платиновые технические термометры сопротивления (по ГОСТ 6651—59) выпускаются трех градуировок, отличающихся величи­ной сопротивления R₀ при 0°С и пределами применения:

Для измерения низких температур от 12 до 95К. (приблизи­тельно от —261 до — 178°С) применяются специальные образцовые и лабораторные термометры сопротивления (ГОСТ 12877—67). Зависимость между сопротивлением и температурой устанавли­вается в этом случае по ГОСТ 12442—66.

Технические термометры поверяют обычно в двух точках: при 0°С в ледяном термостате и приблизительно при 100°С в паровом термостате. Критериями оценки качества термометров служат зна­чения сопротивления R0 и отношения сопротивлений R₁₀₀:R₀

Таблица  4

Зависимость сопротивления платиновых термометров от температуры (градуировочные таблицы)

Поверку производят по инструкциям 156—60 и 157—62 Государ­ственного комитета стандартов, мер и измерительных приборов СССР. Порядок поверки излагается также в .

 Медные термометры сопротивления

Медные термометры изготовляют только технические (тип ТСМ) по ГОСТ 6651—59 и имеют обычно следующую конструктив­ную форму.

Медная изолированная проволока диаметром 0,1 мм наматы­вается, обычно бифилярно, в несколько слоев на цилиндрическую пластмассовую колодку и покрывается глифталевым лаком. Концы проволоки припаиваются к подводящим медным проводам диамет­ром 1,0—1,5 мм, которые присоединяются к зажимам головки тер­мометра. Чувствительный элемент помещают в тонкостенную металлическую гильзу (рис. 8), а затем — во внешний защитный чехол с наружным диаметром 10, 14 или 21 мм в рабочей части (рис. 9), общей длиной до 2000 мм.

Термометры, предназначенные для измерения температуры воз­духа при атмосферном давлении, имеют перфорированный внешний защитный чехол (рис9,б).

Рис. 8. Чувстви­тельный элемент медного термомет­ра сопротивления: а — без         защитной гильзы;   б — в  защит­ной гильзе

Рис. 9.   Внешний   вид   термометров сопротивления: а —в защитном  чехле;   б — для измерений температуры    воздуха       при     атмосферном давлении

Погрешности  измерения температуры за счет отклонений от градуировочных зависимостей R = f(t) по табл. 5 не должны пре­вышать:

для термометров класса II  .....    = ±(0,30+3,5∙10^-3| t|) °С,

для термометров класса III ….  = ± (0,30+60∙10^-3|t |) "С.

Полные градуировочные таблицы с интервалами температур в 1°С приведены в приложении к ГОСТ 6651—59.

Таблица   5

 Зависимость сопротивления медных термометров от температуры (градуировочные таблицы)

Термоэлектрические преобразователи

 Принцип действия термоэлектрического преобразователя основан на возникновении электрического тока в цепи, составлен­ной из двух разнородных проводников, при нарушении теплового равновесия мест их контактирования. Замкнутая электрическая цепь (рис.9), состоящая из двух разнородных проводников-термоэлектродов а и b, образует термоэлектропреобразователь (в даль­нейшем термопара). Спай Т₁ погружаемый в измеряемую среду, называется рабочим или горячим спаем термопары, второй спай Т₂ носит название холодного или свободного.,

рис.9. Распределение потенциалов в цепи идеальной термопары

 Согласно электронной теории, во всех проводниках имеются свободные электроны. Число электронов, приходящихся на еди­ницу объема, различно для проводников. По мере повышения температуры проводника концентрация свободных электронов о единице его объёма возрастает. Эти свободные электроны диф­фундируют из мест с большей концентрацией в места с меньшей, т.е. в общем случае, когда концы проводника имеют разную температуру, свободные электроны диффундируют от горячего конца проводника к холодному. Следовательно, при электронной проводимости холодный конец проводника заряжается отрицательно, а нагретый - положительно. Термоэлектродвижущая сила, развивающаяся па концах однородного проводника (термоЭДС Томсона), зависит от его природы. Величина этой термоЭДС Е_Ta для конкретною проводника а определяется соотношением

где - коэффициент Томсона для данного проводника, зави­сящий от его материала а.

Если замкнутая цепь состоит из двух различных однородных проводников а и Ь, то суммарная термоЭДС (Томсона) в цепи рав­на разности термоЭДС, возникающих в каждой ветви, и определя­ется по формуле

 (13)

т.е. в замкнутой цепи, состоящей из пары проводников а и Ь, сум­марная термоЭДС зависит от абсолютных температур Т₁ и Т₂ в местах их соединений.

Зеебек, проводя исследования термоэлектрических явлений в замкнутых цепях разнород­ных проводников, обнаружил, (что в цепи, состоящей из двух разнородных проводников а и Ь, находя­щихся в соприкосновении при одинаковой температуре, в месте контакта возникает термоЭДС (явление Зеебека), вследствие раз­ности концентраций свободных электронов в ка­ждом из проводни­ков и контактной разности потенциалов. Если число свободных электронов, приходящихся на единицу объёма, обозначить соответственно через N_a и N_b и принять, что N_a > N_b, , то электро­ны проводника а будут диффундировать в проводник b в большем количе­стве, чем обратно из проводника b в проводник а. Вслед­ствие этого проводник а будет заря­жаться положительно, проводник  b отрицательно, при этом свободные концы проводников бу­дут иметь некоторую разность потенциалов                               

 (14)

где     е -заряд электрона;

k -постоянная Больцмана.

Изложенные выше закономерности позволяют заключить по термоЭДС в цепи, соста­вленной из двух разнородных проводников, имеющих различные температуры мест их кон­тактиро­вания  T₁ и Т₂ определится в следующем виде:

 (15)

Таким образом, если одно из мест контактирования термо­пары, составленной из термо­электродов а и Ь, выдерживать при постоянной температуре (Т₂ = const), то термоЭДС ее Е_ab(T1) будет зависеть только от температуры Т₁. Следовательно,  проградуировав ее, т. е. построив зависимость термоЭДС термопары от температуры Т₁ (рабочего конца) и выдерживая посто­янной тем­пературу Т₂ (свободного конца), можно в дальнейшем по величи­не измеренной термоЭДС определить температуру рабочего спая. Обычно градуировку термопары производят при температуре сво­бодных концов Т₂ = 273,75 К (0°С)

Следует отметить, что рассматриваемый термоэлектриче­ский эффект обладает и обрат­ным свойством, заключающимся в том, что если в такую цепь (см. рис.6) извне подать электри­ческий ток, то в зависимости от направления тока один из спаев будет на­греваться, а другой охлаждаться (эффект Пельтье).

Для измерения термоЭДС в цепь термопары включается измерительный прибор (милли­вольтметр, потенциометр и т.п.) по одной из двух схем (рис.10).

Подключение измерительного прибора в контур термопары  по обеим схемам (рис.7а, б) одинаково правомочно.   Влияние третьего проводника с не оказывается при равенстве температур 2 и 3 (см. рис. 10, а) или 3 и 4 (см. рис. 10, б).   

Рис. 10. Схемы включения измерительного прибора в цепь термоэлектрического пре­образователя

Если температура свободных концов отлична от нуля, то по­казания приборов будут отличаться от градуировочной. Введение поправки на температуру свободных концов может производиться следующими спо­собами:

1)   применением удлиняющих термоэлектродных проводов, изготовленных из материалов, имеющих термоэлектрическую характеристику,   совпадающую   с   характеристикой   исполь­зуемого термоэлектрического преобразователя в интервале температур от 0 до 100 - 200° С, включенных таким образом,   что паразитные термоЭДС, образующиеся в местах  контактирования включены встречно и равны по величине;

2)  применением компенсирующего моста (рис.8) для автоматического введения поправки (ко­робка холодных спаев), который представляет собой неравновесный мост (см.рис.8) с по­стоянными манганиновыми резисторами R1, R2, R3 и медным резистором R_m, находящимся в равновесии при 0° С, при отклонении темпе­ратуры  свободных  концов возникающий  раз­баланс  моста  U_ab компенсирует возможное снижение измеряемой термоЭДС;

3)     применением специального медного сопротивления в автоматических потенциометрах;

4)   термостатированием свободных концов при постоянной температуре 0° С или (50±0,5) °С.

Рис.8. Схема автоматической компенсации температуры свободных концов

  МАТЕРИАЛЫ  ТЕРМОПАР И  ИХ  КОНСТРУКЦИЯ

К материалам термоэлектродов предъявляется ряд требо­ваний:

а)     однозначная и по возможности близкая к линейной зависимость термоЭДС от темпера­туры;

б)     жаростойкость и механическая прочность с целью измерения высоких температур;

в)     химическая инертность;

г)     термоэлектрическая однородность материала проводника по длине, что позволяет восста­навливать рабочий спай без переградуировки, а также менять глубину его погружения;

д)     технологичность (воспроизводимость) изготовлении с целью получения взаимозаменяе­мых по термоэлектрическим свойствам материалов;

 е) стабильность градуировочной характеристики;

ж) дешевизна.

Среди этих требований есть желательные и обязательные. К числу обязательных относятся воспроизводимость и стабильность. Наиболее полно этим требованиям отвечают стандартные термопары (СТ СЭВ 1059-78).

Для удобства применения термоэлектрический термометр специальным образом армиру­ется. Его помещают в защитные металлические или керамические трубы (чехлы). Термо­электроды изолируют один от другого с помощью керамических трубочек (бусинок) и вставляют в трубу. Вид и материал защитных труб выби­рают  в соответствии со свойствами изме­ряемой среды. Многочис­ленные конструктивные формы и необходимые принадлежности в значительной части регламентированы стандартами и другими нормативными документами.

Если физические и химические условия допускают это, то термопара может быть введена в измеряемую среду без защитной оболочки. При этом размеры ее могут быть приняты ма­лыми, чем обеспечивается благоприятное динамическое поведение.

Динамическая характеристика термоэлектрических термо­метров в общем виде описыва­ется передаточной функцией

 (16)

Значение постоянной времени и транспортного запаздывания - зависит от конструктив­ных размеров и используемых материалов защитного чехла. Для выпускаемых в настоя­щее время термо­электрических термометров эти величины находятся в пределах . Т = 1,5 ÷ 8 мин,    ÷300 с, а   = 0,11 + 0,78.

Бесконтактные методы

 Методы измерения температуры тел по их излучению

Измерение высоких температур путем непосредственного сопри­косновения измеряе­мой среды с термометром (контактным путем) часто практически неосуществимо. Нередко при измерениях отно­сительно невысоких температур контактный путь измерения также не­желателен из-за больших трудно определимых систематических погрешностей или невоз­можен по технологическим или конструк­тивным соображениям (например, при измерениях температуры поверхностей вращающихся тел). Во всех этих случаях можно изме­рять тем­пературу тел по их излучению бесконтактным путем. Для этого применяют пирометры-тер­мометры, действие которых осно­вано на использовании теплового излучения нагретых тел.

Возможность измерения температуры тел по их излучению была известна давно. Широко применялся прежде метод визуальных измерений температуры тел по цветам каления. При нагревании, начиная примерно с температур 550 °С, тела постепенно меняют свой цвет от темно-красного до ослепительно белого. Цвета каления являются результирующим ощущением, вызванным всем комплексом лу­чей участка видимого излучения. Такой метод измерения весьма субъективен и мо­жет дать хорошие результаты лишь при большом опыте наблюдений за нагреванием изделий из одного и того же однородного  материала.   В настоящее   время этот метод измерения применяется очень редко.

Измерение температуры тел по их излучению можно проводите различными методами. Чаще всего пользуются следующими тремя методами:

1)  яркостным — по    спектральной     интенсивности    излучения телом лучей определенной длины волны (фотометрическим измере­нием яркости тела  в  монохроматическом  свете) — по величине J (или В);

2)         радиационным — по плотности интегрального излучения (по излучательной способности) тела — по величине Е;

3)         цветовым — по отношению  спектральной  интенсивности,   из­лучения телом лучей двух определенных длин волн — по отноше­нию J : J

Яркостный метод измерения, ограниченный только видимой областью спектра, называют также оптическим.

Так как тепловое излучение различных реальных тел при одина­ковой температуре получается неодинаковым, то приходится все измерительные устройства градуировать на температуру, соответ­ствующую излучению абсолютно черного тела. Для определения температур реальных тел приходится в показания измерительных устройств вводить поправки, иногда весьма большие.

Яркостные измерения отличаются высокой чувствительностью, так как спектральная интенсивность излучения J очень резко возрастает с повышением температуры. Для видимого уча­стка спектра абсолютно черного тела интенсивности излучения характеризуются значениями, приведенными в табл. 7.

Как видно из данных табл. 7, при повышении температуры в 2 раза, от 1000 до 2000К, интенсивность излучения волн длиной

Радиационные измерения обладают много меньшей чувстви­тельностью, пропорциональной четвертой степени абсолютной температуры. Эти измерения в ряде случаев можно техни­чески осуществить проще, чем яркостные.

Цветовые измерения, как видно из данных табл. 7, не обла­дают большой чувствительностью, особенно при высоких темпера­турах. Однако при цветовых измерениях удается получить сущест­венно меньшие поправки на температуру реальных тел, чем для других методов измерения.

Таблица 7

Спектральные интенсивности излучения

Яркостные измерения температуры

Определение температуры по спектральной интенсивности излучения принципиально возможно для любой длины волны, а у при­боров с визуальным отсчетом — для любой длины волны видимого спектра. Практически же опреде­ляют температуру по интенсивности излучения обычно в красной об­ласти видимого спектра на волнах длиной =0,65 мк. Выбор таких длин волн определяется следующи­ми основными соображениями:

при относительно    невысоких температурах (порядка 1000К)   интенсивность излучения красных лучей много выше других лучей видимого спектра (табл. 7); выделение узкой спектральной области излучения технически не сложно осуществить у границ видимого спектра.

Пирометры, основанные на мето­де яркостного измерения температур, отградуированные на излучение абсолютно черного тела, при измерении действительной температуры Т_д  реальных тел будут показывать более низкую так называемую яркостную температуру Т_я тела. Это объясняется более низкой излучательной способностью реальных тел.

Рис. 11. Схематическое изображение зависимости спектральной интенсивности излучения от температуры для коэффициентов черноты  =1 и  =0,5

Яркостной температурой Т_я называют температуру, при которой интенсивность излучения абсолютно черного тела равна интенсив­ности излучения реального тела при температуре Т_д (рис.11).

Зная монохроматический коэффициент черноты  и температуру  Т_я, нетрудно определить действительную температуру Т_д тела. По закону Вина  интенсивность излучения

для абсолютно черного тела

для реального тела

Так как   J =Jто

Логарифмируя, получаем

откуда

 (18)

Если

   (19)

то разность между действительной  и  яркостной   температурами (град)

 (20)

Разность температур  = 0,65 мк в зависи­мости от коэффициента черноты  и яркостной температуры Т_я приведена в табл. 8. При высоких температурах и небольших значениях  разность температур

Значения монохроматического коэффициента черноты  для различных реальных тел наиболее полно установлены для волн длиной К = 0,65 мк. Для других длин волн, крайне редко исполь­зуемых в оптических измерениях температуры, значения е, досто­верно известны лишь для некоторых тел.

Коэффициент черноты для одного и того же тела может сущест­венно меняться при различных состояниях поверхности излучения и нередко различной температуре. Некоторые значения  приве­дены в табл. 9

Точная оценка значений коэффициента черноты  в ряде слу­чаев затруднительна. Наиболее надежные значения действительной температуры реальных тел могут быть получены в условиях, когда значение

Таблица   8

Разность температур _Д — Т_я при различных значениях коэффициента черноты  для

 Радиационные измерения температуры

Приборы для измерения температуры по плотности интеграль­ного излучения волн всех длин градуируются обычно на излучение абсолютно черного тела и показывают не действительную темпера­туру Т_д, реального тела, а более низкую, так называемую радиа­ционную температуру Т_р.

Радиационной  температурой  Т_р  называют   температуру,    при которой плотность интегрального излучения абсолютно черного тела равна плотности интегрального излучения реального тела при температуре Т_д. Зависимость плотности интегрального излучения от температуры имеет такое же изображение, как и на рис. 8.

Зная радиационную температуру Т_р и суммарный коэффициент черноты_Д тела. По закону Стефана—Больцмана  плотность интегрального излучения

Таблица  9  Монохроматический коэффициент черноты излучения при Я,=0,65 мк

для абсолютно черного тела

 (21)

для реального тела

 (22)

Так как  Е_ч = Е_Д,  то

 (23)

или

 (24)

Разность между действительной и радиационной   температу­рами (град]

 (25)

Разность между действительной и радиационной  температу­рами приведена в табл. 10.

Таблица  10

Разность температур   при различных значениях суммарного коэффициента черноты

При  разности температур

Значения суммарного коэффициента черноты  установлены с меньшей степенью точности, чем монохроматического  сущест­венно зависит от температуры (см. табл. 11).

Определение действительной температуры тела по радиацион­ной нельзя считать достаточно надежным методом из-за трудностей оценки  . Даже небольшие неточности в оценке  могут привести

Таблица   11

Суммарный коэффициент черноты излучения

к большим ошибкам в определении разности

 Цветовые измерения температуры

Существует несколько понятий цветовой температуры. Чаще всего под цветовой температурой тела понимают температуру Т_ц, при которой отношение А интенсивностей излучения абсолютно чер­ного тела для двух произвольно выбранных длин волн равно такому же отношению интенсивностей излучения реального тела для тех же длин волн при температуре Т_Д.

Обычно сравнивают интенсивности излучения на двух длинах волн в пределах видимого спектра, например, интенсивность излу­чения  красных лучей при длине волны  =  синих лучей при длине волны  = 0,55 мк. Отношение интенсивно­стей излучения вполне определенно характеризует температуру (см. табл. 7 и рис. 9). По мере повышения температуры производная dA/dT (рис. 12) приближается к нулю, и измерение температуры по отношению интенсивностей становится в видимом спектре излу­чения практически невозможным. Это связано с перемещением при высоких температурах максимума ин­тенсивностей излучения на участок видимого спектра. Напри­мер, для температуры Т= 5000°С мак­симум интенсивности излучения будет приходиться  на лучи длиной

Рис. 12.  Зависимости отно­шения  спектральных   интенсивностей   излучения   А   от температуры: 1 — красно-зеленое;    2 — красно-синее

При сверхвысоких температурах, когда максимум интенсивностей излу­чения сместится в сторону волн, коро­че волн видимого спектра, принци­пиально возможно измерять темпера­туру таким же путем: по отношению интенсивностей излучения красных лучей к синим или красных лучей к зеленым. Можно определять цвето­вую температуру и в области инфра- красного излучения при условии, что максимум интенсивности из­лучения будет располагаться на более коротких волнах.

Действительную температуру Т_Д реального тела можно опреде­лить по цветовой температуре Т_ц, если известны монохроматические коэффициенты черноты  и  для длин волн и

По определению понятия цветовая температура можно напи­сать:

 (25)

Отсюда

 (26)

Из этого уравнения можно сделать вывод, что если  Т_ц =Т_Д. Если > >_ц < Т_Д, а при  <  —температура Т_ц > Т_Д.

Если проводить цветовые измерения температуры на участке видимого спектра, то монохроматические коэффициенты черноты будут мало отличаться друг от друга и разность между температу­рами Т_ц и Т_Д будет очень невелика.

ПИРОМЕТРЫ

 Яркостные (оптические) пирометры

Измерение яркостной температуры тела осуществляется путем сравнения интенсивности излучения волн определенной длины измеряемого тела и регулируемого источника света, яркостная температура которого известна. В качестве чувствительного эле­мента, определяющего совпадение интенсивностей излучения, слу­жит обычно глаз человека.

Для выделения узкой спектральной области излучения приме­няются светофильтры. Узкую полосу пропускания можно получить с помощью сложной спектральной аппаратуры. В технических измерениях обычно применяют стеклянные светофильтры, имеющие широкую полосу пропускания. Это дает возможность использовать их лишь вблизи края видимого спектра, в области красных лучей.

Глаз человека обладает различной спектральной чувствитель­ностью. Максимум чувствительности приходится на волны длиной  = 0,555 мк. Относительная видность  среднего глаза показана на рис. 13, кривая 1. Граница пропускания одного из стеклянных

Рис.  13. Относительная    видность   красного светофильтра.

красных светофильтров показана кривой 2 пропускания  . Фильтр с коэффициентом пропускания  пропускает длинные волны. Таким образом, при наличии фильтра глаз может воспринять излу­чение, отвечающее области, показанной площадкой абв (рис. 10). Изменение излучений в этой области можно приравнять к измене­нию интенсивности излучения узкого спектрального участка неко­торой эффективной длины волныf( = 0,65 ±0,01 мк на всем диапазоне измерений при температуре окружающей среды 20±5°С.

В Советском Союзе большое распространение получили оптиче­ские пирометры с исчезающей нитью. В таких   пирометрах  интен­сивность излучения тела на  длинах   волн   = 0,65   мк сравни­вается с интенсивностью  излуче­ния нити электрической (пиромет­рической) лампы накаливания на тех же длинах волн. Нить лампы проектируется на фоне раскален­ного тела. Нить, нагретая меньше,

Рис. 14. Нить пирометрической   лампы на  фоне раскаленного  тела   при   температурах  нити: а — ниже   температуры     раскаленного   тела;    б — равной  температуре раскаленного  тела;   в — выше температуры    раскаленного   тела

Рис. 14. Схема оптического пирометра  с исчезающей нитью пере­менного накала