— важнейший технологический параметр. Около 40% измерений в промышленности приходится на измерение температуры. Температура — это мера внутренней энергии тела, т. е. мера хаотического движения атомов и молекул. Согласно молекулярно-кинетической теории (МКТ) средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул вещества связана с абсолютной температурой соотношением:
где к — постоянная Больцмана. Температуру непосредственно измерить невозможно. Ее измеряют путем измерения других физических величин, функционально с ней связанных. Эти функциональные зависимости были установлены в ходе развития естественно-научных дисциплин Термодинамическая температура связана с температурой Цельсия соотношением Т (К) = t (°С) + 273,15. Измерительные преобразователи температуры можно подразделить на несколько больших групп [7, 12, 20,21]:
-
- термометры расширения;
- термометры сопротивления;
- манометрические термометры;
- термоэлектрические термометры (термопары);
- пироэлектрические термометры (греч. пиро — огонь).
Термометры расширения бывают жидкостные, биметаллические и дилатометрические. В жидкостных термометрах в качестве рабочих жидкостей используют: ртуть (-35… + 750°С), толуол (-90… + 200°С), этиловый спирт (-80… + 70°С), керосин (-60… +300°С), пентан (-200…+20°С) и др. Чувствительным элементом биметаллических термометров является двухслойная пластинка или двухслойная спираль (рис. 2.3).
Слои отличаются температурными коэффициентами расширения. При увеличении температуры чувствительный элемент изгиба;
— ется в сторону слоя с меньшим температурным коэффициентом. В дилатометрических термометрах чувствительным элементом являются два металлических стержня с различными температурными коэффициентами. При достижении определенной температуры чувствительный элемент замыкает или размыкает какой-либо электрический контакт. Биметаллические и дилатометрические термометры применяются обычно при автоматической защите двигателей и других объектов от перегрева.
Термометры сопротивления (ТС) бывают металлические и полупроводниковые. Чувствительным элементом металлического ТС является металлическая проволока, бифилярно намотанная на изоляционный каркас. При нагревании электрическое сопротивление проволоки увеличивается. Бифилярная намотка — это намотка вдвое сложенным проводом. При такой намотке магнитные поля, создаваемые токами соседних витков, практически полностью компенсируют друг друга. Такую намотку называют также безындуктивной. На практике чаще всего применяют медную и платиновую проволоки. Для медной проволоки имеет место температурная зависимость: Rt = Я0 (1 + at), где R0 — сопротивление проволоки при 0 °C, a = 4,26
12 стр., 5627 словПриборы для измерения температуры
... 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 ... 375°, принимая за 1° одну тысячную часть расширения объема воздуха. Известны также попытки создать термометры на основе расширения твердых тел (П. Мушенбрук, 1725 г.). Все предлагаемые ...
— 1СГ3 (град-1 ).
При нагреве на 100 °C сопротивление медной проволоки увеличивается на 42,6%. Медные ТС используются в диапазоне −50…−200°С. Для платинового ТС справедлива зависимость: Rt = R0 ( 1 + At + Bt2 ). Здесь A = 3,968−10-3 (град-1 ), В = = -5,85
- 10-7 (град-2 ).
Обычный температурный диапазон для платиновых ТС составляет −200…−650°С, расширенный диапазон: −260…−1110°С. Используют также никелевые ТС, для них, а ~ 6,4
- 10-3 (град-1 ).
При t >
- 600 °C используются вольфрамовые ТС. Кроме проволочных ТС выпускаются также тонкопленочные из тонких слоев платины или ее сплавов, нанесенных на кремниевую микромембрану. В диапазоне 0…200°С применяются кремниевые ТС. Они встраиваются в микроструктуру для осуществления температурной компенсации и используются также в системах, обеспечивающих безопасность нагревательных устройств.
Термометры сопротивления работают в комплекте с электронными мостами и логометрами (рис. 2.5).
Термисторы — это полупроводниковые ТС. Список термисторов широк. Чувствительный элемент термистора изготовляется из смеси оксидов различных металлов (окиси железа, никеля, кобальта, марганца).
Смесь оксидов тщательно перемешивается, подвергается спеканию, из этого материала изготовляют чувствительный элемент термистора. При нагреве на 100 °C сопротивление термисторов уменьшается в несколько раз. Температурная зависимость термисторов представляется в виде: Rt = Аев/Т . Здесь Л и В — константы для данного вида термистора, Т — температура в градусах Кельвина. Температурный диапазон, охватываемый термисторами, составляетЮ0…300°С. Более универсальная зависимость имеет вид.
К достоинствам металлических ТС относятся: высокая точность изготовления, хорошая взаимозаменяемость; недостатками являются: большие размеры и значительная инерционность (превышающая 10 с).
Достоинствами полупроводниковых ТС являются: малые размеры, высокое быстродействие (порядка 0,1 с); к недостаткам относятся: меньший температурный диапазон (-Ю0…300°С) и разброс характеристик (более 1%).
Действие манометрических термометров (МТ) основано на изменении давления термометрического вещества в замкнутом объеме при изменении температуры. Конструктивно они представляют собой термобаллон, полую пружину и капиллярную трубку, соединяющую термобаллон с пружиной. Существуют три типа таких термометров: жидкостные, газовые и паровые (конденсационные).
6 стр., 2745 словОбщие сведения об измерении температуры
... основании построения термодинамической температурной шкалы лежат следующие положения. Если в обратимом цикле Карно тело, совершающее цикл, поглощает теплоту Q 1 при температуре T1 и отдает ... (абсолютных) температур Т1 /Т2 равно отношению количеств тепла Q1 /Q2 . Согласно положениям термодинамики значение этого отношения не зависит от свойств рабочего тела. Термодинамическая температурная шкала ...
Температурный диапазон МТ: −200…−600°С.
На рис. 2.6 представлен типичный манометрический термометр (МТ).
В жидкостных МТ вся система заполняется ртутью или органическими жидкостями. Температурный диапазон: −200…−300°С. В газовых МТ.
система заполняется азотом N 2 . Температурный диапазон у них: −50…−600°С. В конденсационных МТ 2/3 баллона заполняются жидкостью с низкой температурой кипения, давление создают пары этой жидкости. Применяются: фреон-22 (диапазон −85…−80°С), пропилен С3 Н6 (-50…60°С), хлористый метил СН3 С1 (0…125°С), ацетон С3 Н6 0 (Ю…200°С), этилбензол (-160…300°С).
Шкалы у жидкостных и газовых МТ равномерные, а у конденсационных МТ — сильно неравномерные.
Действие термоэлектрических термометров (термопар ) основано на явлении, открытом в 1827 г. Томасом Зеебеком. Начали применяться они в конце XIX в. В основе эффекта лежит контактная разность потенциалов, которая возникает при электрическом контакте двух разнородных проводников. Если температуры рабочего спая и свободных концов различаются, то между металлами создается ЭДС [14, «https:// «].
Контактная разность потенциалов была открыта еще раньше Алессандро Вольта в 1795 г. На практике чаще других применяются следующие термопары: 1) хромель — копель, диапазон измерений (-200…600°С); 2) хромель — алюмель (-200…1000°С); 3) платинородий — платина (0…1300°С); 4) платинородий (30% родия Rh) — платинородий (6% родия) (300…1600°С); 5) вольфрам — рений (5% Re) — вольфрам — рений (20% Re) (0…2200°С).
Термопары используются в комплекте с милливольтметрами и автоматическими потенциометрами.
Действие пирометров основано на тепловом излучении тел. Согласно современной физике, все тела испускают тепловое излучение — электромагнитные волны. Чем выше температура тела, тем сильнее оно излучает. Согласно закону Стефана — Больцмана, единица площади абсолютно черного тела излучает аГ4 тепловой энергии в единицу времени, где о — постоянная Стефана — Больцмана, о = 5,67
- 1СГ8 Дж/(м2
- К4
- с) Реальные тела излучают меньше, в связи с чем для них вводят коэффициент «серости» k < 1.
Применяются пирометры полного и частичного излучения. На рис. 2.7 изображена схема пирометра частичного (видимого) излучения. Излучение тела фокусируется оптической системой прибора на.
1 — телескоп; 2— линза объектива; 3 — окулярная линза; 4 — лампа накаливания; 5 — аккумулятор; б — реостат; 7 — выключатель; 8 — милливольтметр; 9 — фильтр; 10 —.
красный светофильтр фокальную плоскость, где производится сравнение яркости источника излучения и яркости нити накала. Яркость нити накала можно регулировать с помощью реостата. Наблюдение ведется визуально через красный светофильтр. Если яркости одинаковые, то глаз видит однородную картину. Если яркость нити накала меньше, то она изображается в виде темной полоски. С помощью реостата добиваются однородной картины. Каждому положению движка реостата соответствует определенная температура.
6 стр., 2587 словТемпературные датчики
... пойдет речь в данном реферате. В основе работы любых температурных датчиков, использующихся в системах автоматического управления, лежит принцип преобразования измеряемой температуры в электрическую величину. ... функции преобразования термоэлектрическогго преобразователя. Так, например, функция преобразования медь-константановых термопар в диапазоне температур от –200 до 300 0 С с погрешностью ± 2 ...
На рис. 2.8 представлена схема пирометра полного излучения. Излучение от источника фокусируется на рабочем спае термопары. Рабочий спай нагревается. Через рамку начинает протекать ток. Рамка поворачивается в магнитном поле, чему противодействует пружина. Чем выше температура тела, тем интенсивнее излучение, тем сильнее нагрев термопары, тем больше ЭДС, ток в рамке и угол поворота указательной стрелки.
1 — телескоп; 2 — вторичный прибор; 3 — линза; 4 — окуляр; 5 — соединительные провода; б — объект измерения; 7— термочувствительный элемент; 8 — диафрагма.
