Измерение температуры

1. Лекция №3 ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ   Учебные вопросы: 1. Понятие температуры. Температурные шкалы. Классификация средств измерения

2.

Понятие температуры. Температурные шкалы.
Классификация средств измерения температуры
Температура вещества характеризует степень нагретости тела. Температуру
можно измерить косвенно по термометрическому свойству, изменяющемуся
с изменением температуры монотонно и однозначно. При изменении
температуры твердого тела изменяются его линейные размеры, плотность,
твердость, модуль упругости, электропроводность, теплопроводность,
теплоемкость и ряд других свойств.
С 1742 г. начала применяться температурная шкала, предложенная Цельсием, в
которой в качестве двух реперных точек приняты температура таяния льда
(0 °С) и температура кипения воды (100 °С) при давлении 760 мм рт. ст. и
ускорении силы тяжести 9,80665 м/с2.
В 1848 г. английский ученый Томсон (его псевдоним лорд Кельвин) предложил
температурную шкалу, в которой температура отсчитывается от
абсолютного нуля. Шкала получила название абсолютной
термодинамической шкалы, основной единицей которой является кельвин.
В абсолютной термодинамической шкале температура Кельвина Т{К) через
температуру в градусах Цельсия, Фаренгейта и Реомюра выразится как
В настоящее время используются следующие СИ температуры: термометры
расширения, манометрические термометры, пирометры, термопары
(термоэлектрические преобразователи) и термометры сопротивления.
Первые три вида термометров можно отнести к приборам,
а последние два — к преобразователям.

3.

Манометрические термометры
Принцип действия манометрических термометров (МТ) основан на
зависимости давления рабочего (термометрического) вещества в замкнутом
объеме (термосистеме) от температуры.
Манометрические термометры подразделяют на газовые, жидкостные и
конденсационные . По устройству термометры всех типов аналогичны.
Термосистема манометрического термометра (МТ) (рис. 3.1) состоит из
термобаллона 7, капилляра 2 и пружинного манометра 3. Диапазон
измерения от -150 до +600°С.

4.

Недостатком газовых манометрических термометров
является сравнительно большая тепловая инерция,
обусловленная низким коэффициентом теплообмена
между стенками термобаллона и наполняющим его
газом и малой теплопроводностью газа, а также
большие размеры термобаллона, что затрудняет
установку его на трубопроводах малого диаметра.
Кроме того, в процессе эксплуатации газовых
термометров возможны случаи нарушения
герметичности и утечки газа, что не всегда можно
заметить. Последнее обстоятельство приводит к
необходимости частой поверки этих приборов.

5.

Манометрические ж и д к о с т н ы е термометры
заполняют жидкостью под некоторым
начальным давлением. Жидкости, применяемые
для термометров, должны обладать возможно
большим термическим коэффициентом
объемного расширения, высокой
теплопроводностью и должны быть химически
инертными к материалу термометра. В качестве
таких жидкостей используются ртуть (диапазон
измерений от -30 до +600 °С), ксилол (диапазон
измерений от -40 до +200 °С), толуол,
пропиловый спирт, силиконовые жидкости
(диапазон измерений от -150 до +300 °С).

6.

В к о н д е н с а ц и о н н ы х (парожидкостных) манометрических
термометрах термобаллон заполняется на 2/з объема низкокипящей
жидкостью. В замкнутой системе термометра всегда существует
динамическое равновесие одновременно протекающих процессов
испарения и конденсации. При повышении температуры
усиливается испарение жидкости и увеличивается упругость пара, а
в связи с этим усиливается также процесс конденсации. В результате
этого насыщенный пар достигает некоторого определенного
давления, строго отвечающего измеряемой температуре. Предел
измеряемых температур (от -50 до +350 °С). В качестве
термометрического вещества в конденсационных МТ используются
легкокипящие жидкости, в частности: пропан, ацетон, толуол,
этиловый эфир.
Достоинства - простота конструкции, возможность дистанционной
передачи показаний
Основное достоинство этих термометров — возможность их
использования на взрывоопасных объектах.
К недостаткам парожидкостного термометра следует отнести
нелинейность шкалы.

7.

Измерение температуры термометрами сопротивления
(терморезисторами). Металлические (проводниковые) ТС
Принцип действия термометров сопротивления (ТС), или
терморезисторов, основан на свойстве металлов и
полупроводников изменять свое электрическое сопротивление с
изменением температуры.
Металлические ТС выполняются преимущественно из меди или
платины. Медь — один из недорогостоящих металлов, легко
получаемых в чистом виде. Медный ТС (ТСМ) имеет линейную
зависимость сопротивления от температуры.
Диапазон рабочих температур — от -200 до + 200 °С. Платина является
аилучшим материалом для ТС. Эти ТС широко применяются для
измерения температуры в интервале от -260 до + 1100 °С.
Типы медных и платиновых ТС - отличающиеся градуировкой. При
этом
приняты такие обозначения для платиновых: 1П, 10П, 50П, 100П,500П;
для медных: ЮМ, 50М, 100М. Число перед буквой обозначает
сопротивление ТС при 0 °С (Ом), а буква — материал, из которого
изготовлен ТС (П — платина, М — медь).

8.

Устройство промышленного термометра сопротивления показано на
рис. 3.2, а. В корпусе 1 расположена тонкая проволока 2 из платины
или меди, которая наматывается на каркас 3 из керамики, стекла или
пластмассы. Проволока (ЧЭ термометра) припаивается к выводным
проводам, которые через изоляционные трубки 4 подводятся к
разъему 5 в соединительной головке 6. ТС устанавливается на
объекте измерения с помощью штуцера 7.

9.

К преимуществам проводниковых термометров сопротивления
относятся: -возможность градуировки термометра в
значительном диапазоне на любой температурный интервал;
- высокая степень точности измерения температуры;
-возможность расположения вторичного измерительного прибора
на значительном расстоянии от места измерения температуры;
-централизация контроля температуры путем присоединения
нескольких термометров к одному измерительному прибору.
К недостаткам термометров сопротивления следует отнести: необходимость постороннего источника питания,
-ограничение по его применению во взрывоопасной среде,
-значительную длину чувствительного элемента, не
позволяющую измерить температуру в заданной точке,
- разрушаемость при вибрациях (платиновых термометров).

10.

Полупроводниковые термометры сопротивления
Полупроводниковые ТС называются термисторами.
Достоинства термисторов — высокая чувствительность, малые
габариты.
Характерной особенностью термисторов является резкое уменьшение
электрического сопротивления при повышении температуры.
Для изготовления термисторов используют смеси двуокиси титана и
окиси магния, окиси никеля в соединении с окислами марганца,
смеси окислов марганца, никеля и кобальта, окиси железа в
соединении с такими веществами, как MgAl204, MgCr204 и др.
Конструктивно термисторы представляют собой миниатюрные
конструкции дисковой, шариковой и других форм с металлическими
выводами (рис. 3.2, б). Диаметр стержня термистора составляет от
20 мкм до 5... 10 мм, длина — 1... 50 мм. Диаметр диска — от 1 мм
до нескольких сантиметров, толщина 0,02... 1 мм. Для защиты от
влаги их покрывают слоем лака или стекла.
К недостаткам полупроводниковых ТС следует отнести разброс их
параметров (в частности, начального сопротивления). Поэтому они
в основном применяются не для измерения температуры, а для ее
контроля и сигнализации.

11.

Слайд №11
Измерительные схемы термометров сопротивлений
Для точных измерений температуры и метрологической аттестации ТС получили применение мосты
постоянного тока.
Рассмотрим четырехплечий мост постоянного тока (рис. 3.3, а). Введем следующие основные понятия:
а, Ь, с, d — вершины моста; ad, db, be, са — плечи моста; ab — диагональ питания', cd —
измерительная диагональ',
acb и adb — ветви моста; Rx, R2, R^ и R4 — сопротивления плеч моста. Плечи моста, не имеющие
общей точки соединения, называются противоположными (ас и db), а имеющие ее — смежными
(ас и ad). Измерения с помощью мостов основаны на способности мостовых схем находиться в
состоянии равновесия — это состояние, при котором напряжение на измерительной диагонали
равно нулю при наличии напряжения питания.

12.

В реальных условиях эксплуатации ТС размещен на
технологическом объекте и удален от измерительного моста
на сотни метров.
В этом случае он соединяется с измерительным мостом, как
правило, медными изолированными проводами, которые
называются линиями связи Rn. При изменении температуры
окружающей среды сопротивление проводов тоже изменяется,
что влияет на точность измерения. Степень этого влияния
сопротивления линии связи на результат измерения зависит от
схемы подключения ТС к измерительной схеме моста, т. е. от
количества проводов (двух-, трех- и четырехпроводные
схемы). Наибольшее аспространение получили
трехпроводные схемы включения, в которых влияние
сопротивления линии связи незначительно.
В настоящее время широкое распространение получили
преобразователи сопротивления ТС в унифицированный
электрический сигнал, что позволяет подключать
терморезисторы сразу к контроллеру.

13.

Измерение температуры термоэлектрическими термометрами
(термопарами). Сущность термоэлектрического метода
измерения температуры
В основу измерения температуры с помощью термоэлектрических
термометров положены термоэлектрические явления, открытые
Зеебеком в 1821 г. При соединении одних концов двух одинаково
нагретых проводников из разнородных материалов, причем в первом
материале количество свободных электронов в единице объема
больше, чем во втором, последние будут диффундировать из первого
проводника во второй в большем числе, чем обратно.
Таким образом, второй конец первого проводника станет заряжаться
положительно, а второго проводника — отрицательно.
Образующееся при этом в месте соединения (спае) проводников
электрическое поле будет противодействовать этой диффузии, в
результате чего наступит состояние подвижного равновесия, при
котором между свободными (вторыми) концами указанных
проводников появится некоторая разность потенциалов. С
увеличением температуры проводников значение этой разности
также увеличивается.

14.

Если взять цепь (рис. 3.4, а), составленную из двух различных проводников AviB
(например, меди и платины), то при подогреве спая / в цепи появится электрический
ток, который в более горячем спае / направлен от платины В к меди А,а в холодном
спае 2 — от меди к платине. При подогреве спая 2 ток
получает обратное направление. Такие токи называются термоэлектрическими.
Электродвижущая сила, обусловленная неодинаковыми температурами мест
соединения 1 и 2, называется термоэлектро-движущей силой (термоЭДС), а
создающий ее преобразователь — термоэлектрическим преобразователем или
термопарой (ТП). Спай 7, погружаемый в измеряемую среду, называется рабочим
или горячим спаем термопары; второй спай 2 носит название свободного, или
холодного, спая. Проводники, образующие термопару, называются
термоэлектродами.

15.

Типы термопар, их градуировочные характеристики
Наибольшее распространение для изготовления
термоэлектрических термометров получили платина (Pt),
платинородий (90 % Pt+ 10 % Rh), хромель (9,5 % Cr + 90,5 %
Ni), алюмель (94,5 % Ni ++ 2 % А1 + 1 % Si + 2,5 % Мп) и
копель (55,4 % Си + 44 % Ni ++ 0,5 % Мп + 0,1 % Fe). Для
измерений в лабораторных установках находят также
применение медь, железо, константан и др.
Наиболее распространенными типами ТП являются: ТХА—
хромель — алюмелевые; ТХК—хромель — копелевые; ТПП
— платинородий — платиновые .
При наименовании ТП первым обычно указывается
положительный термоэлектрод.
ТП типа ТПП применяются для измерения температур в области
300... 1600 "С в окислительной и нейтральной среде.
ТП типа ТХК широко применяются для измерения температур
различных сред в области от -200 °С до +600 °С. ТП типа
ТХА применяются для измерения температур газовых сред,
пара и жидкостей в области от -200 °С до + 800 "С.

16.

ТП и вторичный прибор (ВП) соединяются между собой при
помощи проводов, которые называются удлинительными или
компенсационными. Эти провода состоят из двух жил,
изготовленных из металлов или сплавов, имеющих
одинаковые или схожие термоэлектрические свойства с
термоэлектродами ТП. Посредством удлиняющих проводов
производится как бы удлинение термоэлектродов ТП,
позволяющее отнести свободные концы от объекта измерения
в место установки ВП.
Для ТП из неблагородных металлов удлиняющие провода
изготавливаются чаще всего из тех же материалов, что и
термоэлектроды ТП.
Для ТП из благородных металлов в целях удешевления
удлиняющие провода выполняются из материалов,
развивающих в паре между собой примерно ту же термоЭДС в
диапазоне изменения температуры в месте установки ВП, что
и ТП.

17.

Конструкция термопары
ТП представляет собой две проволоки из разнородных
материалов, нагреваемые концы которых скручиваются, а
затем спаиваются или свариваются. Конструкция ее
аналогична конструкции терморезистоpa. В металлическом
корпусе расположены термоэлектроды с изоляционными
трубками, изготовленными из фарфора или окислов
алюминия, магния, бериллия. Рабочий спай термопары
обычно приваривается к дну корпуса. К термоэлектродам в
соединительной головке через разъем подсоединяются
удлинительные провода. Термопара вводится в объект
измерения и крепится на нем с помощью штуцера.
Выпускаются ТП с одним чувствительным элементом
(одинарные) и с двумя (двойные). Двойные ТП применяются
для измерения температуры объекта двумя вторичными
приборами, установленными в разных местах. Длина погружаемой части ТП в
измеряемую среду выполняется различной для каждого
конкретного типа ТП.

18.

Измерительные схемы для термопар
Наиболее широко используется компенсационный метод измерения
термоЭДС. Этот метод основан на компенсации неизвестной
термоЭДС, развиваемой термопарой ТП, известным падением
рабочего напряжения Up, создаваемым током от дополнительного
источника питания Un (рис. 3.5, а).
Замкнутый контур I содержит дополнительный источник Un и реохорд
Rp. Реохорд представляет собой переменный резистор из тонкой
калиброванной проволоки (выполненной из специального сплава),
намотанной на цилиндрический стержень и снабженный
подвижным контактом для изменения сопротивления. Этот контур
называется компенсационным. Второй контур II (контур abed)
включает в себя термопару (ТП), термоЭДС, Етп которой
измеряется, чувствительный гальванометр, выполняющий функции
нуль-индикатора (НИ), а также часть реохорда rр от точки d до
подвижного контакта с движком реохорда. Источник измеряемой
термоЭДС
Етп включен встречно с дополнительным источником U„ так, что токи
от обоих источников на участке гр идут в противоположных
направлениях