Измерение температуры

Температура есть мера интенсивности теплового движения молекул: ее численное значение однозначно связано с кинетической энергией молекул вещества.

Однако кинетическую энергию непосредственно практически измерить невозможно. Поэтому для измерения температуры используют различные косвенные методы, зависимость каких-либо свойств вещества от температуры и по изменению этих свойств судят об изменении температуры.

К таким приборам относят: термометры расширения, манометрические термометры, термометры сопротивления, термоэлектрические термометры (термопары), специальные термометры.

Стеклянные жидкостные термометры. Принцип действия стеклянных жидкостных термометров основан на различии теплового расширения термометрической жидкости и стекла термометра. В качестве термометрической жидкости применяют ртуть (для измерения температуры от –35 до +80°С) или этиловый спирт (от –80 до +80°С).

В схемах сигнализации и автоматического регулирования температуры применяют ртутные контактные термометры. Один электрический контакт термометра впаян в нижнюю точку капилляра и всегда соприкасается с ртутью, другие (обычно один или два) впаяны в капилляр на определенных отметках шкалы и соприкасается с ртутью только при соответствующих значениях температур измеряемой среды.

Если среда в аппарате или трубопроводе находится под избытком давления или вакуумом, то в местах измерения температуры устанавливают жидкостные термометры с защитным кожухом (гильзой). Для лучшего теплообмена пространство между резервуаром термометра и гильзой заполняют машинным маслом (t до 150°С) или мелкими опилками из красной меди.

Гильзы устанавливают в каналах или отводах трубопровода навстречу потока. Глубина погружения гильз не менее 85 мм.

Дилатометрический термометр. Действие этих термометров основано на использовании разности удлинений стержней, изготовленных из двух различных металлов, которые должны значительно отличаться один от другого коэффициентами линейных расширений a. Обычно применяют такие пары: латунь-сталь или латунь-инвар.

Рисунок 1 Дилатометрический термометр: 1 – стержень из инвара (или стали); 2 – трубка латунная; 3 – показывающий механизм

Принцип действия термометра показан на рисунке 1. Стержень из инвара (стали) одним концом укреплен на дне латунной трубки, а другой его конец касается призмы показывающего механизма 3. В зависимости от температуры стержень, воздействует на показывающий механизм 3.

Манометрические термометры. Их применяют для дистанционного измерения температуры. Действие их основано на увеличении давления жидкости, газа или пара с повышением температуры. Манометрический термометр рисунок 2 состоит из термобаллона 3, воспринимающего изменение температуры измеряемой среды, манометра 1, проградуированного в единицах температуры (°С), и соединенной капиллярной трубки 3, длина которой в газовых термометрах допускается до 60 м.

Рисунок 2 Манометрический термометр: 1 – манометр; 2 – капилярная трубка; 3 – термобаллон

В жидкостных манометрических термометрах рабочим веществом является ртуть, метиловый спирт и глицерин. Газовые термометры заполняют азотом, паровые легкокипящий жидкостью (фреонами, хлорэтилом, этиловым эфиром и т.д.).

Пределы температур, измеряемых манометрическими термометрами зависят от вида его рабочего тела и могут изменяться -160° до +600°С для азота.

Термометры сопротивления. Термометры сопротивления являются наиболее точными из всех термометров, так как методы измерения электрических сопротивлений достаточно разработаны и имеют высокую точность. Они обладают высокой механической прочностью, значительной чувствительностью и могут быть использованы для измерения большого диапазона температур.

Рисунок 3 Термометр сопротивления: а – схема термометра; б – установка термометра; 1 – проволока; 2 – защитный кожух; 3 – каркас	Рисунок 4 Схема измерения сопротивления термометра потенциометрическим методом: П – потенциометр; Rк – контрольное сопротивление; Rt – термометр сопротивления; Rp – регулировочное сопротивление

Термометр сопротивления рисунок 3 состоит из тонкой платиновой или медной проволоки 1, бифилярно намотанной на каркас слюды, керамики или пластмассы и защищенной герметическим кожухом 2 от механических повреждений и агрессивного воздействия измеряемой среды.

Платиновые термометры сопротивления применяются для измерения температуры от –200 до +650°С, медные от –50 до +180°С.

В качестве измерительных приборов применяются потенциометры, уравновешивающие мосты, логометры. Наиболее удобно потенциометрический метод (рисунок 4). Термометр сопротивления R_t включают в цепь источника постоянного тока последовательно с контрольным сопротивлением R_к. Допустимая для термометра сила тока до 10 мА, поддерживается постоянной при помощи регулировочного сопротивления R_p. Последовательно измеряя потенциометром П падение напряжения И_t и И_к определяют сопротивлением термометра

. (1)

Термоэлектрические термометры. Принцип действия термопар основан на термоэлектрическом эффекте, т.е. возникновением термодвижущей силы (термо-ЭДС) в замкнутом контуре из двух разнородных проводников, когда их спаянные концы находятся в различных температурах. Наиболее распространены хромель-алюмелевые, хромель-копелевые, медьконстантовые, железоконстантовые и платинородиевые термопары.

Если поддержать температуру одного спая термопары постоянным, то значение термо-ЭДС будет зависеть только от температуры другого (рабочего) спая, который помещает в измеряемую среду.

Рисунок 5 Схема термоэлектрического термометра: 1 – горячий спай; 2 – термоэлектроды; 3 – компенсационные проводы; 4 – свободные концы термопары; 5 – термостат; 6 – соединительные провода; 7 – гальванометр

Прямое измерение осуществляется гальванометром 7 (рисунок 5), имеющим двойную (милливольтную и градусную) или одинарную (градусную) шкалу. Свободные концы 4 термопар удалены от места измерения температуры компенсационными проводами 3 и помещены в термостат 5.

Этот метод измерения прост, удобен, но обладает рядом недостатков. Основной из которых – влияние сопротивления внешней среды (гальванометра, проводов и самой термопары) на показание прибора.

Более точные измерения термо-ЭДС дают компенсационные методы с применением потенциометров.

Рисунок 6 Схема измерения термо-ЭДС при помощи потенциометра: 1 – холодные спаи; 2 – горячий спай

Схема измерения при помощи потенциометра приведена на рисунке 6. Термопара подключается к потенциометру через зажимы А.

Разность потенциалов потенциометра, которая включается навстречу термо-ЭДС термопары, создается в потенциометре на участке R_х основной цепи прибора, который состоит из гальванического элемента В, сопротивлений R₁ и R₀ и комбинированного измерительного сопротивления R₁ по которму может перемещаться контакт G. По основной цепи непрерывно идет рабочий ток J.

Для установления рабочего тока основной цепи служит вспомогательная цепь потенциометра, состоящий из сопротивления R₀, нормального гальванического элемента НЭ, нуль-гальванометра НГ и переключателей К₁ и П. Нуль-гальванометр НГ можно подключить либо к цепи термопар (положение II переключателя П), либо к вспомогательной цепи (положение I переключателя П).

При работе на потенциометре сила тока J в основной цепи потенциометра устанавливается всегда одна и та же. Установку рабочего тока основной цепи проводят перед началом измерения термо-ЭДС термопары, для чего замыкают контакты К₁ и К₂ и переключатель П ставят в положение I. Далее изменяют регулировочное сопротивление R₁ так, чтобы нуль-гальванометр НГ показал отсутствие тока. После установления рабочего тока измеряют термо-ЭДС термопары устанавливая переключатель П в положение II, а контакты К₂ замкнуты.

Рисунок 7 Жидкостной V-образный манометр: 1 – резиновая трубка; 2 – стеклянная трубка; 3 – шкала; 4 – рабочая жидкость

Дата добавления: 2015-12-07