Принцип работы биометрического термометра

Принцип работы
стеклянных
жидкостных термометров
основан на расширении термометрической
жидкости, заключенной в термометре, в
зависимости от температуры. Стеклянные
термометры подразделяются на термометры
с вложенной шкалой и палочные.

Термометр с
вложенной шкалой
(рис.1.2, а) состоит из стеклянного
резервуара и припаянного к нему
стеклянного капилляра. Вдоль капилляра
расположена шкала, которая нанесена на
пластине молочного стекла. Резервуар,
капилляр и шкала размещены в стеклянной
оболочке.

Палочные
стеклянные термометры
(рис.1.2, б) состоят из толстостенных
капилляров. Шкала термометра наносится
на наружной поверхности капилляра.

Шкалы термометров
отградуированы в градусах Цельсия. В
зависимости от диапазона измерения
температуры применяются различные
термометрические жидкости: ртуть (- 35
+ 600С);
толуол (- 90 + 200С);
этиловый спирт (- 80 + 70С);
керосин (- 60 + 200С);
петролейный эфир (- 120 + 25С);
пентан (- 200
+ 20С).

Рис. 1.2 Стеклянные
термометры расширения:

Жидкостные термометры встречаются повсеместно: в быту и на производстве. Схема работы устройства простая – измеряется объем жидкости при изменении температуры: при повышении жидкость расширяется, а при уменьшении – сокращается и ползет вниз.

Особенности устройства

Жидкостный термометр – это герметичная система, включающая баллон, который соединен с манометром посредством капилляра. Термоемкость погружают в среду измерения. Когда температура рабочей жидкости повышается или понижается, давление в замкнутой системе меняется, что отражается на шкале измерения.

Температура отражается в линейном перемещении жидкости. Градуировку наносят на стеклянный капилляр или крепят снаружи. Точность работы зависит от разности коэффициентов стекла и расширения в объеме термометрического состава, а также от диаметра капилляра и объема резервуара.

Чувствительность находится в пределах 0,4-5 мм/°С, специальные приборы выпускаются с параметром 100-200 мм/°С. Техническими приборами измеряют температуру от -30 до 600°С. Установку таких устройств выполняют посредством размещения в оправе из металла, обеспечивающей изоляцию от измеряемой среды.

Нюансы конструкции

• при измерении температуры до 150°С с целью снижения инертности зазор между кольцом крепления защитной оправы и термометром заполняют машинным маслом;
• при измерении температур свыше 150°С в зазор засыпают опилки из меди.

Каждый технический термометр ТТЖ обязательно должен проходить регулярные проверки, для гарантии точной работы.

Типы и принцип действия приборов

Манометрические термометры предназначены для измерения и регистрации температуры жидкостей, паров, газов на расстоянии. Выпускаются различные по назначению приборы, они могут быть: показывающими, самопишущими, бесшкальными, имеющими встроенные преобразователи для передачи результатов измерений дистанционно. Среди преимуществ устройств – возможность использования на взрывоопасных объектах.

К недостаткам относят

• низкий класс точности измерения – 1,5 и 2,5;
• необходимость регулярной проверки;
• сложный ремонт;
• термобаллон большого размера.

В зависимости от состояния рабочего вещества различают газовые, жидкостные, паровые приборы.

Газовые

Термометрическим веществом в газовых устройствах выступает гелий или азот. Приборы имеют термобаллон большого размера, что влияет на инертность проводимых измерений температур – от -50 до +600°С.

Жидкостные

Термометры заполняют ртутью, пропиловым спиртом, толуолом и другими термоэлектрическими веществами. Высокая теплопроводность жидкости обеспечивает приборам меньшую инертность, чем у газовых аналогов. Однако в случае значительных температурных перепадов погрешность становится выше.

Конденсационные

В конденсационных приборах используют пропан, ацетон, этиловый спирт. Баллон заполняется на 70%, остальной объем занимает пар. Принцип действия основан на зависимости давления пара от температуры. Устройства имеют небольшие термобаллоны – отличаются меньшей инерцией по сравнению с аналогами, обладают высокой чувствительностью. Диапазон измерений -50 до +350°С.

Разновидности

Существуют следующие разновидности измерителей – радиальный и осевой. Термометр биметаллический радиальный отличается от осевого расположением корпуса с циферблатом. Он у прибора изготавливают из антикоррозийного, взрывоустойчивого материала, шток делают из нержавейки.

Биметаллические термометры можно классифицировать на игольчатые, у них есть игла-щуп, которая погружается в вещество для измерения, и трубные, предназначенные для измерения температуры труб отопительных систем.

Термометр биметаллический погружной, измерительной частью которого является погружная гильза, не боится никаких температур и универсален в применении. Сам прибор помещен в защитный стакан, он же представляет собой место для размещения контрольной аппаратуры.

Комплектация и работа

Комплектация стандартного промышленного термометра включает в себя циферблат, кинематический механизм, термочувствительный элемент. Диапазон температур, отображаемый на шкале – от -70 до +600 градусов по Цельсию. Погрешность измерителя определяется рядом факторов – классом точности, типом прибора, диапазоном. Для пределов шкалы от -70 до 100 градусов она составляет около градуса, для высоких температур (до 600 градусов) может достигать и 10 градусов.

Преимущество биметаллических термометров перед ртутно-стеклянными и прочими жидкостными заключается в том, что их показания не подвержены воздействию изменения давления, выдерживают до 25 бар. Минус их лишь в том, что приборам требуется больше времени, чтобы выдать показание. А также цена такого измерителя будет выше, чем жидкостного.

Манометрические термометры

Принцип действия манометрических термометров основан на зависимости давления рабочего (термометрического) вещества в замкнутом объеме (термосистеме) от температуры. В соответствии с агрегатным состоянием рабочего вещества в термосистеме манометрические термометры подразделяют на газовые, жидкостные и конденсационные (парожидкостные).

Манометрические термометры могут быть использованы для измерения температур от —150 до 600°С. Диапазон измерения определяется наполнителем термосистемы. Термометры со специальными наполнителями (расплавленными металлами) пригодны для измерения температуры от 100 до 1000°С

Термосистема термометра (рис. 6.2, а) состоит из термобаллона 1, капилляра 2 и манометрической пружины 3. Чувствительный элемент термометра (термобаллон) погружается в объект измерения, и термометрическое вещество в термобаллоне достигает температуры измеряемой среды. При изменении температуры рабочего вещества в термобаллоне изменяется давление, которое через капиллярную трубку передается на пружинный манометр, являющийся измерительным прибором манометрического термометра.

Термобаллон представляет собой цилиндр, изготовленный из латуни или специальных сталей, стойких к химическому воздействию измеряемой среды. Геометрические размеры термобаллона зависят от типа термометров и от задач измерения. Так, диаметр термобаллона находится в пределах 5—30 мм, а его длина 60—500 мм. Капилляр, соединяющий термобаллон с манометрической пружиной, представляет собой медную или стальную трубку с внутренним диаметром 0,1—0,5 мм. Длина капиллярной трубки в зависимости от эксплуатационных требований может быть от нескольких сантиметров до 60 м. Медные капилляры имеют стальную защитную оболочку, предохраняющую их от повреждений при монтаже и эксплуатации.

Для улучшения метрологических характеристик манометрических термометров к манометрическим пружинам предъявляют ряд требований. Так, с целью уменьшения температурной погрешности пружина должна иметь по возможности малый объем. Кроме того, пружина должна иметь возможность раскручиваться на большой угол и свободный ее конец должен обладать значительным тяговым усилием для механического перемещения дополнительных устройств.

В зависимости от конструкции измерительной системы манометрические системы бывают показывающими, самопишущими, бесшкальными со встроенными датчиками для дистанционной передачи показаний на расстояние.

Газовые манометрические термометры.Они предназначены для измерения температуры от —150 до +600°С. Термометрическим веществом здесь служат гелий или азот. Принцип работы этих термометров основан на использовании закона Гей-Люссака:

где Ро и Pt — давление газа притемпературах 0 и t, °C; β — термический коэффициент давления газа, равный1/273,15 или 0,00366 К-1.

Ряс. 6.2. Схема манометрического термометра

Теоретически линейная связь между Pt и t в соответствии с (6.5) строго не сохраняется для реальных систем. Это связано с тем, что с изменением температуры изменяется объем термобаллона и с изменением давления изменяется объем манометрической пружины, а также происходит массообмен между термобаллоном и капиллярной трубкой. В то же время эти изменения незначительны и практически можно считать, что шкалы газовых манометрических термометров равномерны. Подставляя в (6.5) вместо Pt и. t соответственно Рн и tB, а также Рк и tK, после несложных преобразований получим выражение для величины рабочего давления газового манометрического термометра:

где Рн и Рк — давления в термосистеме, соответствующие начальному tн и конечному tK значениям температуры по шкале прибора. Начальное давление заполнения системы Рн для заданного диапазона измерения температур может быть рассчитано из (6.6) при известном рабочем давлении манометрической пружины. Значение Рн в зависимости от диапазона шкалы прибора может быть различным примерно в пределах от 1 до 3 МПа. Чем больше Рн, тем больше ΔР и тем меньше влияние барометрического давления на показания прибора. Объем термобаллона Vт в газовых манометрических термометрах не зависит ни от рабочего давления, ни от пределов измерения температуры. Однако если при измерении температура, окружающая капилляр и манометрическую пружину, отличается от температуры при градуировке, то возникает дополнительная погрешность. Для уменьшения этой погрешности стремятся уменьшить отношение (VП—VK)/VT (где VП и VK — внутренние объемы пружины и капилляра), увеличивая размер термобаллона. Поэтому для газовых манометрических термометров характерны большие размеры термобаллонов (диаметр 20—30 мм, а длина 250—500 мм) и, как следствие этого, их значительная инерционность.

Погрешность от температуры окружающей среды часто компенсируют путем установки биметаллической пластины 4 (рис. 6.2, а), расположенной между манометрической пружиной и указателем. При измерениях с повышенной точностью и при использовании длинных капилляров применяют дифференциальную систему, состоящую из основного манометрического термометра и компенсирующего (без термобаллона), капилляр которого примыкает к капилляру основного термометра. Таким образом, на указатель прибора действует разность перемещений двух манометрических пружин, что практически исключает температурную погрешность окружающей среды.

Жидкостные манометрические термометры.В качестве термометрического вещества здесь используется ртуть под давлением 10—15 МПа при комнатной температуре или толуол, ксилол, пропиловый спирт, силиконовые жидкости и т. п. при давлении 0,5— 5 МПа. При ртутном заполнении диапазон измерений лежит в пределах —30—600°С, а для органических жидкостей 150—300°С.

Ввиду того что жидкость практически несжимаема, объем термобаллона в жидкостных манометрических термометрах в отличие от газовых должен быть согласован со свойствами используемой манометрической пружины.

При изменении температуры в диапазоне от начальной tH до конечной tK из термобаллона объемом VТ вытесняется жидкость объемом ΔVТ:

где βж — температурный коэффициент объемного расширения жидкости; α — коэффициент линейного расширения материала термобаллона.

Этот вытесненный объем вследствие охлаждения от tK до температуры окружающего воздуха tB дойдет до значения ΔVТ’, при котором давление в термосистеме изменится на ΔР, а объем манометрической пружины изменится на ΔVМ, причем величина ΔVМ должна быть равна ΔVТ’:

Решая (6.7) и (6.8) совместно, получим

Из выражения (6.9) следует, что объем термобаллона тем меньше, чем больше диапазон измерения термометра и увеличивается с ростом ΔVМ .

Что касается рабочего давления ΔР , то в отличие от газовых термометров в жидкостных манометрических термометрах ΔР не зависит ни от диапазона измерения tK—tн, ни от начального давления Рн для определенного наполнителя. Здесь решающее значение имеет ΔVМ , т. е. для пружин различной жесткости в одном и том же диапазоне температур будет иметь место различное рабочее давление. В силу значительного давления в системе, предохраняющего жидкость от закипания, погрешность от изменения барометрического давления в жидкостных манометрических системах отсутствует.

В жидкостных манометрических термометрах, как и в газовых, имеет место погрешность от изменения температуры окружающей среды. Для уменьшения этой погрешности принимаются те же меры, которые принимались для газовых термометров. Кроме того, для компенсации указанной погрешности как для жидкостных, так и для газовых манометрических термометров, используют инварный компенсатор. Действие этого компенсатора основано на том, что в капиллярную трубку помещается проволока из инвара и рабочее вещество оказывается в кольцевом зазоре между проволокой и стенкой капилляра. Диаметр проволоки выбирают таким, чтобы при повышении температуры в капилляре приращение кольцевого зазора было тем же, что и приращение объема жидкости в зазоре.

Манометрическим жидкостным термометрам свойственна гидростатическая погрешность, вызванная различным расположением манометра относительно термобаллона по высоте. Эта погрешность может быть устранена после монтажа прибора путем смещения указателя прибора на нужное значение по шкале.

Конденсационные манометрические термометры. В качестве термометрического вещества в этих термометрах используются легко-кипящие жидкости, в частности пропан, этиловый эфир, ацетон, толуол, хлористый метил и т. п. В зависимости от используемого рабочего вещества диапазон измерений лежит в интервале от —50 до 350°С. Специально изготовленные конденсационные термометры применяются для измерения сверхнизких температур, например при заполнении гелием для измерения температуры от 0,8 К. Термобаллон термометра (рис. 6.2, б) заполнен конденсатом примерно на 0,7—0,75 объема, а над конденсатом находится насыщенный пар этой же жидкости. Капилляр в этих термометрах опущен в термобаллон так, чтобы его открытый конец находился в жидкости и в том случае, когда при максимальной температуре в термобаллине остается часть жидкости. Капилляр и манометрическая пружина заполняются обычно высококипящей жидкостью, которая служит для передачи давления от термобаллона к манометрической пружине.

Принцип работы конденсационных термометров основан на зависимости давления Р насыщенного пара низкокипящих жидкостей от температуры Т:

где L — скрытая теплота испарения; Vп и Vж — удельные объемы соответственно пара и жидкости.

Давление в термосистеме конденсационного термометра равно давлению насыщенного пара при температуре рабочей жидкости, которая, в свою очередь, равна температуре измеряемой среды с помещенным в нее термобаллоном. Зависимость давления насыщенного пара от температуры однозначна (до критической температуры), но нелинейна, вследствие чего шкалы конденсационных термометров имеют значительную неравномерность. Для получения равномерной шкалы конденсационные термометры снабжают специальным линеаризующим устройством. Рабочее давление в конденсационных термометрах зависит только от пределов измерения и закона изменения давления насыщенного пара от температуры.

В связи с тем что давление в термосистеме зависит только от измеряемой температуры, изменение температуры окружающей среды не оказывает влияния на показания прибора. Действительно, если повышается температура капилляра и манометрической пружины, то объем наполняющей их жидкости увеличивается и частично вытесняется в термобаллон, где часть объема насыщенного пара сконденсируется, и давление в термосистеме не изменится. В силу того что термобаллон в конденсационных термометрах может быть выполнен малых размеров, эти термометры обладают меньшей инерционностью, чем другие манометрические термометры. Кроме того, эти термометры более чувствительны, так как давление насыщенного пара резко изменяется с температурой.

Конденсационным термометрам присущи гидростатическая погрешность и погрешность от изменения барометрического давления. Первая из этих погрешностей компенсируется аналогично жидкостным манометрическим термометрам, а вторая имеет место лишь на начальном участке шкалы, когда давление в термосистеме невелико.

Манометрические термометры — достаточно простые устройства, позволяющие осуществлять автоматическую регистрацию измерений и передачу показаний на расстояние. В настоящее время промышленностью выпускаются манометрические термометры с унифицированными пневматическими электрическим (постоянного тока) выходными сигналами классов точности 1; 1,5; 2,5. Важное достоинство этих термометров — возможность использования их на взрывоопасных объектах.

К их недостаткам относят необходимость частой поверки из-за возможной разгерметизации прибора и сложность ремонта, а также большие во многих случаях размеры термобаллона для газовых манометрических термометров.

Манометрические термометры, используемые в промышленности, имеют классы точности 1—4.

Передаточная функция манометрических термометров может быть представлена в виде (см. 2.4)

А) с вложенной шкалой, б) палочные

Наибольшее
распространение в лабораторных
исследованиях и в промышленности
получили ртутные
термометры,
т.к. они обладают рядом преимуществ.
Ртуть является несмачивающей жидкостью,
которая сравнительно легко получается
в химически чистом виде, а также ртуть
остается жидкой в широком интервале
температур.

Достоинством
стеклянных жидкостных термометров
является высокая точность измерения,
простота и дешевизна. К недостаткам
следует отнести плохую видимость шкалы,
невозможность автоматической регистрации
показаний и ремонта термометра, тепловая
инерционность.

Разновидностью
жидкостных термометров расширения
являются электроконтактные
ртутные термометры,
применяемые для регулирования температуры
или сигнализации о нарушении заданного
температурного режима в пределах от
–30 до 300 °С. Платиновые контакты, впаянные
в нижнюю часть капилляра, соединены с
медными проводниками, которые через
реле включены в цепь электрического
нагревателя либо сигнализации. В момент
соединения контактов столбиком ртутизамыкается цепь реле, выключающего
нагреватель или включающего сигнализацию.

В зависимости от
вида термометрического вещества
различают газовые,
жидкостные и конденсационные термометры.
Действие манометрических термометров
основано на зависимости давления
манометрического вещества в герметически
замкнутом объеме от температуры.

1 – термобаллон;
2-капилляр; 3-трубчатая пружина; 4-держатель;
5-поводок; 6-сектор

Манометрические
термометры могут применяться во
взрывоопасных помещениях. Наиболее
уязвимым в конструкции манометрических
термометров являются места присоединения
к термобаллону и манометру.

Недостатком
манометрического термометра является
его значительная инерционность,
обусловленная большим размером
чувствительного элемента.

Газовые
манометрические термометры.
При этом методе измеряется изменение
давления Р или объема V
газа как функция температуры Т в
соответствии с законом идеального газа

Причем масса m
и величина R
(абсолютная газовая постоянная) являются
постоянными. Для этой цели используют
газ, близкий к идеальному (гелий, азот,
аргон).

Конструкция и
принцип действия их точно такие же, как
жидкостных манометрических термометров.
Газ в баллоне находится под давлением
при нормальной температуре. Изменение
давления газа вследствие изменения
температуры указывается манометром,
точность которого определяется точностью
всего измерительного устройства в
целом. Шкала термометра линейна.
Чувствительный элемент (баллон) имеет
сравнительно большой объем.

Наименьшая
температура, которую можно измерить
газовым термометром, лежит чуть выше
критической точки используемого газа.
Верхний предел измерений ограничивается
прочностью чувствительного элемента
и прочностью материала. Нормальный
диапазон измерения находится в интервале
от –125 до 500 0С.

Соседние файлы в папке Теплотехника

Переходы из разных шкал

Жидкостные и газовые термометры.

Жидкостный термометр – прибор для измерения температуры, принцип действия которого основан на тепловом расширении жидкости. Жидкостный термометр относится к термометрам непосредственного отсчёта.

Широко применяется в технике и лабораторной практике для измерения температур в диапазоне от –200 до 750 °С. Жидкостный термометр представляет собой прозрачный стеклянный (редко кварцевый) резервуар с припаянным к нему капилляром (из того же материала).

Шкала в °С наносится непосредственно на толстостенный капилляр (так называемый палочный жидкостный термометр) или на пластинку, жестко соединённую с ним (жидкостный термометр с наружной шкалой, рис. а). Жидкостный термометр с вложенной шкалой (рис. б) имеет внешний стеклянный (кварцевый) чехол. Термометрическая жидкость заполняет весь резервуар и часть капилляра. В зависимости от диапазона измерений жидкостный термометр заполняют пентаном (от -200 до 20 °С), этиловым спиртом (от -80 до 70 °С), керосином (от -20 до 300 °С), ртутью (от -35 до 750 °С) и др.

Наиболее распространены ртутные жидкостные термометры, так как ртуть остаётся жидкой в диапазоне температур от -38 до 356 °С при нормальном давлении и до 750 °С при небольшом повышении давления (для чего капилляр заполняют азотом). Кроме того, ртуть легко поддаётся очистке, не смачивает стекло, и её пары в капилляре создают малое давление. Жидкостные термометры изготавливают из определённых сортов стекла и подвергают специальной термической обработке (“старению”), устраняющей смещение нулевой точки шкалы, связанное с многократным повторением нагрева и охлаждения термометра (поправку на смещение нуля шкалы необходимо вводить при точных измерениях). Жидкостные термометры имеют шкалы с различной ценой деления от 10 до 0,01 °С. Точность жидкостного термометра определяется ценой делений его шкалы. Для обеспечения требуемой точности и удобства пользуются жидкостные термометры с укороченной шкалой; наиболее точные из них имеют на шкале точку 0 °С независимо от нанесённого на ней температурного интервала. Точность измерений зависит от глубины погружения жидкостного термометра в измеряемую среду. Погружать термометр следует до отсчитываемого деления шкалы или до специально нанесённой на шкале черты (хвостовые термометры жидкостные). Если это невозможно, вводят поправку на выступающий столбик, которая зависит от измеряемой температуры, температуры выступающего столбика и его высоты. Основные недостатки жидкостного термометра — значительная тепловая инерция и не всегда удобные для работы габариты. К жидкостным термометрам специальных конструкций относят термометры метеорологические (специальной конструкции, предназначенных для метеорологических измерений главным образом на метеорологических станциях), метастатические (термометр Бекмана, ртутный термометр с вложенной шкалой, служащий для измерения небольших разностей температур), медицинские и др. Медицинские ртутные термометры имеют укороченную шкалу (34—42 °С) и цену деления шкалы 0,1 °С. Действуют они по принципу максимального термометра — ртутный столбик в капилляре остаётся на уровне максимального подъёма при нагревании и не опускается до встряхивания термометра.

Термометры сопротивления (иначе называемые термосопротивление) – это устройства для измерения температуры. Принцип действия прибора заключается в изменении электрического сопротивления сплавов, полупроводников и чистых металлов (т.е. без примесей) с температурой. Чувствительный элемент термометра представляет собой резистор, который сделан из пленки или металлической проволоки, и обладающий зависимостью электрического сопротивления от температуры. Проволока намотана на жесткий каркас, сделанный из кварца, слюды или фарфора, и заключена в защитную металлическую (стеклянную, кварцевую) оболочку. Наиболее популярны термосопротивления из платины. Платина устойчива к окислению, высокотехнологична, имеет высокий температурный коэффициент. Иногда используются термометры из меди или никеля. Темометры сопротивления обычно используют для замера температур в диапазоне от минус 263 С до плюс 1000 С. У медных термометров сопротивления диапазон значительно меньше – всего лишь от минус 50 до плюс 180 С. Основное требование к конструкции термометра – она должна быть достаточно чувствительной и стабильной, т.е. достаточной для необходимой точности замеров в указанном диапазоне температур при соответствующих условиях использования. Условия использования могут быть как благоприятными, так и неблагоприятными – агрессивные среды, вибрации и т.д. Обычно термометры сопротивления работают в совокупности с потенциометрами (резистивный элемент, величина сопротивления которого меняется механически; прибор для измерения ЭДС, напряжений компенсационным методом), логометрами (прибор, предназначенный для измерения отношения двух электрических величин), мостами измерительными. От точности этих приборов в значительной степени зависит и точность измерений самого термометра сопротивления (термосопротивления). Термометры сопротивления могут быть различными: поверхностными, ввинчивающимися, вставными, с байонетным соединением или присоединительными проводами. Термосопротивления могут использоваться для измерения температуры в жидких и газообразных средах, в климатической, холодильной и нагревательной технике, печестроении, машиностроении и т.д.

Термопара – термоэлемент, применяемый в измерительных и преобразовательных устройствах. Принцип его действия основан на том, что нагревание или охлаждение контактов между проводниками, отличающимися химическими или физическими свойствами, сопровождается возникновением термоэлектродвижущей силы (термоэдс). Термопара состоит из двух металлов, сваренных на одном конце. Эта часть ее помещается в месте замера температуры. Два свободных конца подключаются к измерительной схеме (милливольтметру). Наиболее распространены термопары платино-платинородиевые (ПП), хромель-алюминиевые (ХА), хромель-копелевые (ХК) (копель – медно-никелевый сплав ~ 43% Ni и ~ 0,5 % Mn), железоконстантовые (ЖК).

Термопары используются в самых различных диапазонах температур. Так, термопара из золота, легированного железом (2-й термоэлектрод — медь или хромель), перекрывает диапазон 4—270 К, медь — константан 70—800 К (константан – термостабильный сплав на основе Cu (59%) с добавкой Ni (39-41%) и Mn (1-2%)), хромель — копель 220—900 К, хромель — алюмель 220—1400 К, платинородий — платина 250—1900 К, вольфрам — рений 300—2800 К. Эдс термопар из металлических проводников обычно лежит в пределах 5—60 мВ. Точность определения температуры с их помощью составляет, как правило, несколько К, а у некоторых термопар достигает ~0,01 К. Эдс Термопара из полупроводников может быть на порядок выше, но такие термопары отличаются существенной нестабильностью.

Термопары применяют в устройствах для измерения температуры и в различных автоматизированных системах управления и контроля. В сочетании с электроизмерительным прибором (милливольтметром, потенциометром) термопара образует термоэлектрический термометр.

Измерительный прибор подключают либо к концам термоэлектродов (контакты (обычно — спаи) проводящих элементов, образующих термопару )(рис., а), либо в разрыв одного из них (рис., б). При измерении температуры один из спаев осязательно термостатируется (обычно при 273 К). В зависимости от конструкции и назначения различают термопары: погруженные и поверхностные; с обыкновенной, взрывобезопасной, влагонепроницаемой или иной оболочкой (герметичной или негерметичной), а также без оболочки; обыкновенные, вибротряскоустойчивые и ударопрочные; стационарные и переносные и т. д.

С поднятием температурного потолка встает проблема измерения высоких температур. Для точных измерений необходима тщательная стандартизация измерительных приборов, обеспечивающая оценку точности результатов и их сопоставляемость с данными других авторов. Для стандартизации используют точки плавления (замерзания), кипения и тройные точки определенных “эталонных” веществ. Первичные эталонные точки определены в Международной практической шкале температур 1968 г. (IРТS–68).

Для очень высоких температур (превышающих 3000 К) применяются различные сплавы вольфрама. Наиболее часто используется пара вольфрам с добавкой 3% рения – вольфрам с добавкой 25% рения с термоЭДС, близкой к 40 мВ при предельной температуре 2573 K. Комбинация молибден–тантал обеспечивает предельную температуру порядка 2800 К, а термопара вольфрам–вольфрам с добавкой 50% молибдена работоспособна до 3300 К, но имеет очень малую термоЭДС (8.24 мВ при 3273 K). Все эти термопары могут работать только в водороде, в чистых инертных газах или в вакууме.

При очень высоких температурах измерения оптическими пирометрами являются наиболее надежным, а часто и единственно возможным, методом. Данный метод применим и при температурах менее 1200 К, но основной областью его использования является измерение температур, превышающих это значение. Преимуществами пирометра являются измерения без физического контакта с объектом и с большой скоростью, недостатками – проблемы, связанные с излучением: образец должен быть или черным телом (коэффициент излучения равен 1), или находиться в тепловом равновесии с черным телом либо должен быть известен коэффициент излучения образца.

Пирометрия требует измерения потока излучения, что осуществимо или визуальным сравнением неизвестного потока с потоком от лампы с известными характеристиками (визуальные или субъективные пирометры), или использованием для этой цели физического приемника (фотоэлектрические или объективные пирометры).

С учетом законов излучения, пирометры можно разделить на следующие типы:

1. Спектральные пирометры, работающие в настолько узкой полосе спектра, что эффективная длина волны почти не зависит от температуры. Зная спектральную излучательную способность, можно вычислить истинную температуру. Поскольку измеренная радиация соответствует закону Планка, эти пирометры можно градуировать в одной фиксированной точке.

Рис. 1. Визуальный яркостный пирометр,

1 – источник излучения

2 – оптическая система, объектив пирометра

3 – эталонная лампа накаливания

4 – фильтр с узкой полосой пропускания

5 – окуляр

6 – реостат, регулирующий ток накала

7 – измерительный прибор

Примером является яркостный пирометр, обеспечивающий наибольшую точность измерений температуры в диапазоне 103—104 К. В простейшем визуальном яркостном пирометре с исчезающей нитью объектив фокусирует изображение исследуемого тела на плоскость, в которой расположена нить (ленточка) эталонной лампы накаливания. Через окуляр и красный фильтр, позволяющий выделять узкую спектральную область около длины волны λэ= 0,65 мкм (эффективная длина волны), нить рассматривают на фоне изображения тела и, изменяя ток накала нити, добиваются выравнивания яркостей нити и тела (нить в этот момент становится неразличимой). Шкала прибора, регистрирующего ток накала, прокалибрована обычно в °С или К, и в момент выравнивания яркостей прибор показывает так называемую яркостную температуру (Tb) тела. Истинная температура тела Т определяется на основе законов теплового излучения Кирхгофа и Планка по формуле:

Т = TbC2/(C2 + λ эIn αλ,T), (1)

где C2= 0,014388 м ×К, αλ,T — коэффициент поглощения тела, λ э— эффективная длина волны пирометра. Точность результата в первую очередь зависит от строгости выполнения условий измерений (αλ,T, λ эи др.). В связи с этим наблюдаемой поверхности придают форму полости. Основная инструментальная погрешность обусловлена нестабильностью температурной лампы. Заметную погрешность могут вносить также индивидуальные особенности глаза наблюдателя.

Т=αт-1/4*Тr , (2)

где αТ — полный коэффициент поглощения тела. Радиационными пирометрами можно измерять температуру, начиная с 200°С. В промышленности пирометры широко применяют в системах контроля и управления температурными режимами разнообразных технологических процессов.

3. Пирометры спектральной полосы, работающие в более широкой полосе спектра. Они имеют сильно зависящую от температуры эффективную длину волны. Поправки на температуру возможны только численной интеграцией экспериментальной кривой спектрального коэффициента излучения.

4. Двухцветные (цвет или соотношение) пирометры. Это пирометры спектра или спектральной полосы, использующие для определения температуры соотношение замеренной радиации в двух различных полосах спектра. При узких спектральных полосах температурные поправки могут быть вычислены по отношению спектральных коэффициентов излучения для двух эффективных длин волн. Этими пирометрами определяют отношение яркостей обычно в синей и красной областях спектра b1(λ1, T)/b2(λ2, T) (например, для длин волн λ1= 0,48 мкм и λ2= 0,60 мкм). Шкала прибора прокалибрована в °С и показывает цветовую температуру Tc. Истинная температура Т тела определяется по формуле

Цветовые пирометры менее точны, менее чувствительны и более сложны, чем яркостные; применяются в том же диапазоне температур.

Чувствительность цветных пирометров в диапазоне от 1300 до 4000 К составляет от 2 до 10 К. Если имеется сильное поглощение излучаемой радиации, цветные пирометры превосходят пирометры всех иных типов. Однако предположение о равных коэффициентах излучения для двух различных длин волн очень часто не соответствует действительности.

При оптимальных условиях эксперимента точность, обеспечиваемая стандартным пирометром, равна 0.04 К при 1230 К и 2 К при 3800 K. Очевидно, что достижение такой точности при обычных исследованиях невозможно. Верхний предел измерения пирометров может быть поднят использованием нейтральных фильтров. В литературе описан прецизионный прибор, допускающий измерения при температурах до 10 000 K.

Для сравнения потоков излучения от образца и от лампы вместо человеческого глаза может быть использован физический приемник (датчик). Это повышает быстродействие и точность измерений, а также расширяет их диапазон в направлении более низких температур благодаря чувствительности датчика к инфракрасному излучению.

Очень точным спектральным пирометром является прибор, основанный на принципе подсчета фотонов. Он обеспечивает измерения в диапазоне от 1400 до 2200 К с точностью, соответственно, от 0.5 до 1.0 K, согласно требованиям IPTS–68. В большинстве пирометров поток неизвестного (измеряемого) излучения сопоставляется с потоком излучения лампы и точность измерения зависит от характеристик лампы, причем главным источником погрешностей является смещение ее параметров излучения. В пирометре с подсчетом фотонов поток излучения образца измеряется непосредственно и для калибровки необходимы только одна фиксированная точка (температура плавления золота) и регулируемый, но не калиброванный источник излучения.

Существует также ряд нетрадиционных методов измерения, которые используются, когда применение обычных методов невозможно или погрешности слишком велики. Это использование температурной зависимости уширения линий в излучателе и в поглотителе (верхний предел температуры всего 1300 К). Это и шумовой термометр, основанный на зависимости напряжения шума электрического сопротивления от температуры (практический предел 1800 K). Термометры такого типа успешно применяются при измерениях криогенных температур. Точность измерения составляет 1 К а наилучший результат в диапазоне от 300 до 1300 К равен даже ±0.1 К. Это также акустические или ультразвуковые термометры, использующие зависимость скорости звука от температуры.

Интересный косвенный способ измерения температур основан на определении кривой нагрева соответствующего термометра за определенное время без необходимости достижения конечной равновесной температуры, которая может быть недопустимой для данного термометра.

Поверка

ГОСТов на поверку для биметаллических термометров в России нет, поэтому метод поверки утверждается при учете прибора в государственном реестре. Поверка проводится в термостатах, сверкой с показаниями эталонного термометра. При их различии определяется погрешность, проводятся сверка в нескольких значениях на высоких и низких температурах.

Покупка такого прибора – ответственное приобретение, поэтому стоит отдать предпочтение проверенному изготовителю и продавцу. Прежде чем купить термометр, обязательно проконсультируйтесь со специалистом в этой области, чтобы приобрести действительно подходящую вам модель для работы.

Применение и эксплуатация

Область применения биметаллических термометров очень широка. Без них трудно представить себе котельную, промышленное производство, вентиляционные системы и кондиционирование. Ими мониторят технические процессы, используют в пищевой промышленности. Купить прибор необходимо и для домашней котельной. Везде, где есть необходимость измерения высоких или низких температур, работа сопровождается постоянным контролем уровня температуры, и без биметаллических термометров не обойтись.

Эксплуатировать измерители можно в условиях с нерегулируемым климатом, в температурном режиме от -10 до +60 градусов. Есть модели, предназначенные для работы на открытом воздухе с температурой от -40 до +60. При наличии сильной вибрации, вызывающей колебания стрелки более десятой части погрешности, прибор нельзя использовать. Для таких условий работы есть специальные виды термометров.

• Измеритель можно применять только для тех веществ, для работы с которыми он предназначен. То же относится и к температурному режиму.
• Нельзя превышать пределы диапазона шкалы.
• Запрещается протирать стекла прибора растворителями и прочими подобными средствами.

Если термометр перестал работать, стрелка начала двигаться скачками, погрешность выше допустимого значения, то он также неисправен. Самостоятельно чинить прибор не стоит, обратитесь к специалистам.

Термометр биметаллический

Термометр биметаллический – универсальный прибор для измерения температуры жидкостей и газов в системах отопления, кондиционирования, вентиляции. Определение температуры производится посредством деформации биметаллической пружины. Они изготавливаются из двух прочно сваренных пластин с разным коэффициентом линейного расширения. Принцип действия прибора таков: при контакте с веществом пластины расширяются, пружина деформируется и приводит в движение стрелку термометра. Один конец пружины находится в штоке, а другой соединен с осью стрелки.

Показывающие, электроконтактные — ЭК (сигнализирующие — СГ) и самопищущие ТГС

Манометрический термометр — это прибор, принцип действия, которого основанный на зависимости между температурой и давлением вещества в замкнутом объеме. Манометрические термометры в зависимости от рабочего вещества подразделяются на газовые, жидкостные и конденсационные (парожидкостные). Изготавливаются для измерения температур в пределах от –200С до +600С.

Выпускаются технические манометрические термометры показывающие (ТКП-конденсационные и ТГП-газовые) и самопишущие — ТГС (привод диска с диаграммной бумаги осуществляется от электродвигателя (ДСС-711) или от часовым механизма (ДСС-712) самописца).

Наибольшее распространение манометрические термометры получили там, где требуется непрерывный контроль или регистрация (запись) показаний, а по правилам пожарной и/или взрывобезопасности запрещено использование термометров сопротивления (ТСМ, ТСП) и термоэлектрических преобразователей (термопар — ТХА, ТХК) совместно с вторичными электрическими приборами (измерителями-регуляторами технологическими — ИРТ-ТРМ).

В данном разделе представлены контактные термометры электроконтактные (сигнализирующие) ТГП-100Эк, ТКП-100ЭкМ1, ТКП-160Сг, ТМ2030Сг, ЭКТ-УС, ТПК-М, ТГП-16СгВЗТ4, ТКП-16Сг-ВЗТ4 и самопищущие ТГС-711/712.

Стоимость манометрических конденсационных-ТКП и газовых-ТГП показывающих термометров зависит от диаметра корпуса (63, 100, 160мм), длинны соединительного капилляра (до 6м или свыше — до 25м) и наличия встроенной электроконтактной группы (исп. 100Эк, 160Сг), взрывозащиты, цен на доп. оборудование (защитные гильзы, бобышки), а также объема заказа и формы оплаты:

Подробнее о марках, поставляемых манометрических термометров ТБ/БТ, а также о их технических характеристиках, принципах выбора (см. как правильно выбрать, заказать и недорого купить), областях применения, о ценах (см. прайс-лист), наличию на складе или сроках изготовления см. ниже.

ТГП-100Эк-М1 — термометр показывающий электроконтактный газовый манометрический (Т до 400С, диаметр 100мм, 1; 1,5%, капилляр от 1,6 до 25м, термобаллон 160-400мм, 30ВА).
ТКП-100Эк-М1 — термометр показывающий электроконтактный конденсационный манометрический (Т до 300С, диаметр 100мм, 1; 1,5%, капилляр от 1,6 до 25м, термобаллон 160-400мм 30ВА).

ТМ2030Сг-1(-2) — термометр манометрический показывающий сигнализирующий (Т до 400С, диаметр 100мм, 2,5%, капилляр от 1,6 до 10м, термобаллон 160-500мм).

ЭКТ-УС-1(-2,-Р) — термометры электроконтактные показывающие сигнализирующие и регулирующие.

ТПК-М — т. электроконтактный ртутный (термосигнализатор).

ТГП-16СгВЗТ4 — термометр показывающий сигнализирующий взрывозащищенный газовый (Т до 400С, 160х160х91мм, класс точности 1,5%, капилляр от 1,6 до 25м, термобаллон 160-400мм, 220В, 50Гц (коммутируемое напряжение 24, 60, 110, 220В, разрывная мощность 40ВА).
ТКП-16СгВЗТ4 — термометр показывающий сигнализирующий взрывозащищенный конденсационный (Т до 300С, 160х160х91мм, класс точности 1,5%, капилляр от 1,6 до 25м, термобаллон 160-400мм, 220В, 50Гц (коммутируемое напряжение 24, 60, 110, 220В, разрывная мощность 40ВА).

ТГС-711М – термометр самопишущий однозаписной с приводом диаграммного диска от электродвигателя
ТГС-712М –  Т. самопишущий однозаписной с приводом диаграммного диска от часового механизма
ТГ2С-711М – Т. самопишущий двухзаписной с приводом диаграммного диска от электродвигателя
ТГ2С-712М – Т. самопишущий двухзаписной с приводом диаграммного диска от часового механизма

Также возможна поставка и других марок электроконтактных (сигнализирующих, контактных) Т.

Эксплуатация термометров, в режимах с давлениями измеряемой среды превышающем установленные для них нормы, возможна только с использованием защитных гильз (до 25МПа (250 кгс/см2)).

Описание и принцип действия манометрического термометра

Основой манометрического термометра является герметичная заполненная термосистема, которая состоит из термобаллона, погружаемого в измеряемую среду, соединительного тонкого капилляра, манометрической трубчатой пружины — бурдона, один конец которого впаян в полый держатель, соединенный с капилляром. Другой конец трубчатой пружины (бурдона) с помощью поводка связан с сектором, который соединен зубчатым зацеплением с трибкой, на оси которой насажена указательная стрелка.

В конденсационном термометре ТКП термобаллон частично заполнен конденсатом, над которым находится насыщенный пар легкоиспаряемой термометрической жидкости.

Существенным недостатком манометрических термометров является систематическая погрешность, связанная с зависимостью объема пружины от температуры в помещении, где она расположена. Для уменьшения этой погрешности в конструкцию современных ТГП вводится термобиметаллический компенсатор. Трубчатая пружина с пережатым внутренним участком также способствует уменьшению этой погрешности, так внутренний объем такой пружины и колебания ее размера минимальны.

Капилляр манометрического термометра изготавливается из латуни или стали наружным диаметром 2,5мм и внутренним диаметром 0,35мм и длиной, выбираемой из ряда: 1; 1,6; 2,5; 4; 6; 10; 16; 25; 40 и до 60м. Для защиты капилляра от повреждений служит защитный полиэтиленовый или металлический чехол. Термобаллон обычно изготавливают из нержавеющей стали.

Термометрические вещества и возможные пределы измерения отрицательных температур
газовые-ТГП: азот (до минус -195,8С).
жидкостные-ТЖП: спирт, силиконовые жидкости (до минус -150С).
конденсационные-ТКП: ацетон, этилбензол, фреон, хлористый метил, пропилен (до минус -50С)

Для газовых манометрических термометров зависимость давления от температуры определяется выражением: PV = RT.
Зависимость от у газовых термометров несколько отклоняется от линейной, так как имеет место непостоянство объема системы.

Для уменьшения систематической погрешности, вызванной изменением объема капилляра и трубчатой пружины при отклонении температуры окружающего воздуха от 20С, уменьшают отношение внутреннего объема пружины и капилляра к внутреннему объему термобаллона. Это достигается увеличением объема термобаллона за счет увеличения его длины. Так при длине капилляра 40м длина термобаллона достигает 500мм, что ограничивает возможности применения такого манометрического термометра.

В жидкостных манометрических термометрах при нагреве термобаллона практически несжимаемая жидкость расширяется и вытесняется в полость манометрической пружины, которая прогибаясь, увеличивает свой внутренний объем, размещая вытесненную из термобаллона жидкость. Объем термобаллонов жидкостных термометров небольшой, согласующийся с внутренним объемом манометрической пружины. Чем больше диапазон термометра, тем меньше объем термобаллона, так при диаметре термобаллона 12мм и диапазоне измерения 40-800С длина термобаллона составляет 110мм, а при том же диаметре и диапазоне измерения 60-310С – 18 мм.

В жидкостных манометрических термометрах имеет место гидростатическая погрешность за счет различного уровня расположения термобаллона и измерительного прибора.

В конденсационных манометрических термометрах используется зависимость давления насыщения от температуры. Эта зависимость однозначна лишь до определенной температуры, называемой критической. Критическая температура ограничивает верхний предел измерения, нижний предел измерения связан с начальным давлением в системе и равен температуре насыщения при давлении заполнения.

Отрицательной особенностью конденсационных термометров является значительная неравномерность шкалы, определяемая характером зависимости давления насыщения летучих жидкостей от температуры. Для выравнивания шкал конденсационных термометров применяются специальные выравнивающие устройства.

Положительной особенностью конденсационных термометров является то, что рабочее давление в термосистеме для данного конденсата зависит только от диапазона измерения и изменения давления насыщенного пара этого конденсата от температуры. Другие параметры термометра не оказывают влияние на рабочее давление в термосистеме. Поэтому отклонение температуры окружающего воздуха от 200С оказывает влияние только за счет изменения модуля упругости материала манометрической пружины.

Заранее благодарим Вас за обращение в любое из предприятий группы компаний — ГК «Теплоприбор» (Теплоприборы, Промприбор, Теплоконтроль и другие) и обещаем приложить все усилия для оправдания Вашего доверия.

Вернуться в начало страницы.