ПРИБОРЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ
Существуют контактные и бесконтактные методы измерения температур. В первом случае необходимо обеспечить надежным тепловой контакт чувствительного элемента прибора с объектом измерения, при этом верхний предел измерения температуры ограничен жаропрочностью и химической стойкостью применяемых чувствительных элементов. При невозможности осуществить надежный тепловой контакт чувствительного элемента с объектом измерения применяют бесконтактные методы измерения.
Средство измерений (совокупность средств измерений), предназначенное для контактного измерения температуры веществ и преобразования его в сигнал температурной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем, автоматической выработки, передачи и использования в автоматических системах управления, называется термометром.
По принципу действия термометры могут быть разделены на. следующие группы: термометры расширения, термометры, сопротивления и термоэлектрические термометры.
Действие термометров расширения основано на тепловом .расширении (изменении объема) термометрического вещества (жидкостные или газовые) или линейных размеров твердых тел (дилатометрические и биметаллические) в зависимости от температуры. Предел измерения такими термометрами составляет от -190 до +6000С.
Жидкостный стеклянный технический термометр имеет заполненный жидкостью (обычно ртутью) резервуар, тонкостенную капиллярную трубку, пластину с нанесенной на ней шкалой, наружную стеклянную оболочку.
Такие термометры применяются для измерения температуры от -90 до +6000С, а термометры, заполненные органической жидкостью от -90 до +300С и от -60 до 2000С. Их изготавливают прямыми (типа П и А) и угловыми - изогнутыми под углом 90 или 1350 (типа У и Б). Нижняя часть выполняется различной длины (от 66 до 2000 мм).
Поскольку технические термометры градуируются и поверяются при погружении всей нижней части, то при измерении эксплуатационных условиях нижняя часть термометра должна быть также погружена на определенную глубину в среду, температура которой измеряется. Для предохранения стеклянной оболочки от повреждения термометры помещают в защитные стальные оправы, которые как и термометры но форме выполняют прямыми и угловыми. Для сигнализации и измерения температуры в лабораторных и промышленных условиях применяют (в простейших схемах) технические термометры ртутные электроконтактные (типа ТПК или ТЭК). Их изготавливают с электроконтактами, впаянными в капиллярную трубку термометра. Замыкание или размыкание электрической цепи между контактами происходит вследствие расширения или сжатия ртути при соответственно нагревании или охлаждении нижней части термометра.
Принцип действия манометрических термометров (типа ТДГ, ТПГ, ТДЖ, ТПЖ, ТКП и др.) основан на изменении давления рабочего (термометрического) вещества в замкнутой герметичной термосистеме.
Термосистема манометрического термометра состоит из термобаллона, погружаемого в среду, температура которой измеряется, гибкого соединительного капилляра и манометрической трубчатой пружины. Один конец пружины впаян в держатель, канал которого соединяет внутреннюю полость манометрической пружины через капилляр с термобаллоном. Второй свободный конец пружины герметизирован и шарнирно через тягу, зубчатый сектор, шестерню перемещает показывающую стрелку. Термосистема термометра заполнена рабочим веществом: газом, жидкостью или смесью жидкости с ее насыщенным паром. При нагревании термобаллона увеличивается давление рабочего вещества в замкнутом объеме герметичной термосистемы, вследствие чего пружина деформируется (раскручивается и ее свободный конец перемещается). Движение свободного конца пружины передаточным механизмом преобразуется в перемещение указателя относительно шкалы прибора, по которой производят отсчет температуры.
Дилатометрические и биметаллические, термометры основаны на использовании свойств твердого тела изменять свои линейные размеры при изменении температуры.
Действие биметаллического термометра основано на измерении разности линейных расширений при нагревании двух свареных между собой по всей плоскости соприкосновения разнородных металлов, обладающих различными коэффициентами линейного расширения. При нагревании такого биметаллического элемента он изгибается в сторону металла с меньшим коэффициентом линейного расширения и при заданной температуре замыкает сигнальные контакты. Биметаллические температурные реле применяются для интервала температур от -60 до +3000С.
Дилатометрический термометр (типа ТУДЭ, РТ и др.) состоит из металлической трубки, внутри которой имеется связанный с донышком трубы стержень, причем материал стержня обладает меньшим коэффициентом линейного напряжения, чем материал трубки. При измерении трубка должна быть целиком погружена в среду, температура которой измеряется. С повышением температуры среды трубка удлиняется больше, чем стержень, вследствие чего стержень перемещаемся вниз. Это перемещение стержня через систему рычагов преобразуется в перемещение стрелки относительно шкалы. Пределы измерения дилатометрических термометров составляют от -150 до +7000С.
Термометры сопротивления, автоматические уравновешенные мосты. Принцип действия термометра сопротивления основан на зависимости электрического сопротивления чувствительного элемента от температуры. Чувствительным элементом термометра сопротивления является топкая металлическая проволока (платиновая или медная), намотанная на керамический каркас. Концы проволоки колпачке приварены к выводам, которые соединяются с кабелем для передачи показаний. Чувствительный элемент заключен в защитную арматуру. Штуцер служит для монтажа термометра.
Платиновые термометры сопротивления (ТСП) используются для измерений от -200 до +6500С, медные термометры сопротивления (ТОМ) - для измерений от -50 до +1800С. Наиболее благоприятные с точки зрения надежной работы термометров сопротивления верхние пределы измерения составляют: 6000С для ТСП и 1000С для ТСМ.
Кроме проволочных термометров сопротивления выпускаются термометры сопротивления, чувствительные элементы которых изготовлены из полупроводниковых материалов. Полупроводниковые термометры сопротивления намываются термисторами или терморезисторами. Их применяют для измерений температур -90 до +1800С.
Передача измерительной информации от термометров сопротивления осуществляется с помощью логометров и мостов, измеряющих изменение электрического сопротивления термометра при изменении температуры контролируемой среды.
Логометры в настоящее время почти не употребляются в связи с широким распространением автоматических электронных мостов, имеющих более высокий класс точности (типа КСП-4).
Автоматические уравновешенные мосты выпускаются одноточечными и многоточечными на 3, 6 и 12 точек и класса точности 0,25 и 0,5 в зависимости о г модели.
Термоэлектрические термометры и их вторичные приборы. Способ измерения температур с помощью термоэлектрических термометров основан на существовании определенной зависимости между термо-э.д.с., устанавливающейся в цепи, составленной из разнородных проводников и температурами мест их соединений.
В цепи, составленной из двух различных термоэлектрически однородных по длине проводников (например, меди и платины), при подогреве спая появляется электрический ток, который в спае направлен от платины к меди, а в холодном спае - от меди к платине. При подогреве спая ток получает обратное направление. Такие токи называются термоэлектрическими. Электродвижущая сила, обусловленная неодинаковыми температурами мест соединения, называется термо-э.д.с., а создающий ее преобразователь - термоэлектрическим термометром (ранее употреблявшееся название - термопара).
Принцип действия термоэлектрического термометра основан на эффектах Томсона и Зеебека. Эффект Томсона заключается в том, что если проводник нагрет по своей длине неравномерно, то на его нагретом конце повышается концентрация свободных электронов, которые диффундируют к холодному концу. При этом горячий конец заряжается положительно, а холодный отрицательно. Если замкнутая цепь состоит из двух различных проводников, то термо-э.д.с. Томсона в такой цепи равна разности термо-э.д.с., возникающих в каждом проводнике, и зависит от температуры спаев.
Вследствие того, что в различных металлах плотность свободных электронов (число электронов в единице объема) неодинакова, в месте соприкосновения двух разнородных металлов в спае, электроны будут диффундировать из одного металла в доугой в количестве большем, чем обратно. Поэтому между металлами возникает некоторая контактная разность потенциалов. Поскольку плотность свободных электронов в металле зависит также и от температуры спая металлов, то в месте соприкосновения этих проводников при любых температурах возникает э.д.с., называемая контактной термо-э.д.с., значение и знак которой зависят от природы металлов и температуры места их соприкосновения (эффект Зеебека).
Термоэлектрические термометры градуируются при температуре свободных концов (холодного спая) 00С. Действительная температура свободных концов может быть постоянной, но отличаться от 00С. На практике в металлургических цехах температура свободных концов изменяется в зависимости от режимов работы металлургических агрегатов и условий окружающей среды. Поэтому свободные концы термоэлектрического термометра стараются удалить от нагретых поверхностей и вывести в зону относительно низкой постоянной температуры. Для этого не увеличивают длину термоэлектрического термометра, а выполняют продление электродом термометра с помощью гибких удлиняющих проводов, обычно называемыми термоэлекгродными или компенсационными. Компенсационные провода изготавливают из более дешевых материалов, чем термоэлектроды термометров, что весьма актуально при применении термоэлектрических термометров с электродами из благородных металлов.
Пределы измерения термоэлектрических термометров зависят от материала термоэлектродов. Термометры типа ТПП с платинородий-платиновыми термоэлектродами применяются для диапазона температур от -20 до +13000С (допускается до 16000С при кратковременных измерениях); типа ТПР с платинородий-платинородиевыми - от +300 до +16000С (18000С кратковременно); типа ТХА с хромель-алюмелевыми - от -50 до +10000С (13000С кратковременно); типа ТХК с хромель-копелевыми - от -50 до ,+6000С (8000С кратковременно).