Средства измерения температуры и их метрологические характеристики

 

Содержание

Введение 4

1.Понятие  о температуре и о температурных  шкалах 5

1.1Устройства для измерения температур 7

2. Методы и технические средства  измерения температуры 7

2.1 Термометры  расширения и термометры манометрические 8

Жидкостные  стеклянные термометры 8

Манометрические термометры 11

2.2. Бесконтактное  измерение температуры 13

Основные понятия и законы излучения 14

Пирометры частичного излучения 14

Оптические  пирометры 14

Фотоэлектрические пирометры 16

Вывод 19

Список литературы 20

 

 

Введение

Для создания качественной и безопасной  пищевой продукции  требуется соблюдение всех параметров производственного процесса. Одним  из самых важных является температурный  параметр. Температурным параметром называется любая зависящая от температуры физическая характеристика термометрического тела, которая может служить индикатором (показателем) его температуры.

Цели и задачи курсовой работы:

• охарактеризовать физическую сущность процесса измерения и поддержания температуры;
• описать методы измерения температуры;
• охарактеризовать виды средств измерения температуры;
• изложить методику определения температуры в производственном процессе;
• описать возможные погрешности при измерении температуры.

 

1.Понятие о температуре и о температурных шкалах

Температурой называют величину, характеризующую тепловое состояние тела. Согласно кинетической теории температуру определяют как  меру кинетической энергии поступательного  движения молекул. Отсюда температурой называют условную статистическую величину, прямо пропорциональную средней кинетической энергии молекул тела.

Все предлагаемы температурные  шкалы строились (за редким исключением) одинаковым путем: двум (по меньшей  мере) постоянным точкам присваивались  определенные числовые значения и предполагалось, что видимое термометрическое свойство используемого в термометре вещества линейно связанно с температурой t:

,

где k – коэффициент пропорциональности; E – термометрическое свойство; D – постоянная.

Принимая для двух постоянных точек определенные значения температур, можно вычислить постоянные k, D и на этой основе построить температурную шкалу. При изменении температуры коэффициент k меняется, при чем различно для разных термометрических веществ. Поэтому термометры, построенные на базе различных термометрических веществ с равномерной градусной шкалой, давали при температурах, отличающихся от температур постоянных точек, различные показания. Последние становились особенно заметными при высоких (много больших температуры кипения воды) и очень низких температурах.

Термодинамическая шкала  тождественна шкале идеального газа, построенной на зависимости давления идеального газа от температуры. Законы изменения давления от температуры  для реальных газов отклоняются  от идеальных, но поправки на отклонения реальных газов невелики и могут быть установлены с высокой степенью точности. Поэтому, наблюдая за расширением реальных газов и вводя поправки, можно оценить температуру по термодинамической шкале.

В начале XX века широко применялись шкалы Цельсия и Реомюра, а в научных работах – также шкалы Кельвина и водородная. Пересчеты с одной шкалы на другую создавали большие трудности и приводили к ряду недоразумений. Поэтому в 1933 году было принято решение о введении Международной температурной шкалы (МТШ).

Опыт применения МТШ  показал необходимость внесения в нее ряда уточнений и дополнений, чтобы по возможности максимально  приблизить ее к термодинамической  шкале. Поэтому МТШ была пересмотрена и приведена в соответствие с  состоянием знаний того времени. В 1960 году было утверждено новое "Положение о международной практической температурной шкале 1948 года. Редакция 1960 г.".

1.2.Устройства для измерения температур

Температуру измеряют с  помощью устройств, использующих различные  термометрические свойства жидкостей, газов и твердых тел. Существуют десятки различных устройств применяемых в промышленности, при научных исследованиях, для специальных целей.

В таблице 1 приведены  наиболее распространенные устройства для измерения температуры на пищевом производстве и практические пределы их применения.

Термометрическое  свойство	Наименование  устройства	Пределы длительного  применения, 0С
		Нижний	Верхний
Тепловое расширение	Жидкостные стеклянные термометры	-190	600
Изменение давления	Манометрические термометры	-160	60
Тепловое излучение	Оптические пирометры.	700	6000
	Фотоэлектрические пирометры.	600	4000

Таблица 1

 

2. Методы и технические средства 
измерения температуры

2.1 Термометры расширения и термометры манометрические

Жидкостные стеклянные термометры

Самые старые устройства для измерения температуры –  жидкостные стеклянные термометры –  используют термометрическое свойство теплового расширения тел. Действие термометров основано на различии коэффициентов  теплового расширения термометрического вещества и оболочки, в которой она находится (термометрического стекла или реже кварца).

Жидкостный термометр состоит  из стеклянных баллона 1, капиллярной  трубки 3 и запасного резервуара 4 (рис. 1). Термометрическое вещество 2 заполняет баллон и частично капиллярную трубку. Свободное пространство в капиллярной трубке и в запасном резервуаре заполняется инертным газом или может находиться под вакуумом. Запасной резервуар или выступающая за верхним делением шкалы часть капиллярной трубки служит для предохранения термометра о порчи при чрезмерном перегреве.

В качестве термометрического  вещества чаще всего применяют химически  чистую ртуть. Она не смачивает стекла и остается жидкой в широком интервале  температур. Кроме ртути в качестве термометрического вещества в стеклянных термометрах применяются и другие жидкости, преимущественно органического происхождения. Например: метиловый и этиловый спирт, керосин, пентан, толуол, галлий, амальгама таллия.

Основные достоинства  стеклянных жидкостных термометров – простота употребления и достаточно высокая точность измерения даже для термометров серийного изготовления. К недостаткам стеклянных термометров можно отнести: плохую видимость шкалы (если не применять специальной увеличительной оптики) и невозможность автоматической записи показаний, передачи показаний на расстояние и ремонта.

Стеклянные жидкостные термометры имеют весьма широкое применение и выпускаются следующих основных разновидностей:

1. технические ртутные, с вложенной шкалой, с погружаемой в измеряемую среду нижней частью, прямые и угловые;
2. лабораторные ртутные, палочные или с вложенной шкалой, погружаемые в измеряемую среду до отсчитываемой температурной отметки, прямые, небольшого наружного диаметра;
3. жидкостные термометры (не ртутные);
4. повышенной точности и образцовые ртутные термометры;
5. электроконтактные ртутные термометры с вложенной шкалой, с впаянными в капиллярную трубку контактами для разрывания (или замыкания) столбиком ртути электрической цепи;
6. специальные термометры, в том числе максимальные (медицинские и другие), минимальные, метеорологические и другого назначения.

У лабораторных и других термометров, градуируемых и предназначенных  для измерения при погружении в измеряемую среду до отсчитываемого деления, могут возникать систематические погрешности за счет выступающего столбика термометра. Если капиллярная трубка будет погружена в измеряемую среду не полностью, то температура выступающей части капиллярной трубки будет отличаться от температуры измеряемой среды, в результате возникнет погрешность измерения. Поправку в градусах на выступающий столбик в показания термометра можно внести по уравнению:

 (1)

где - коэффициент видимого объемного теплового расширения термометрической жидкости в стекле , t – действительная температура измеряемой среды ⁰C, t_в.с. – температура выступающего столбика, измеренная с помощью вспомогательного термометра ⁰С, n – число градусов в выступающем столбике.

У термометров, предназначенных  для работы с неполным погружением, может возникнуть аналогичная систематическая погрешность, если температура окружающей среды, а следовательно, и выступающего столбика будут отличаться от его температуры при градуировке. Поправка , в этом случае

 (2)

где - температура выступающего столбика при градуировке ⁰C (в первом приближении допустимо считать ), - средняя температура выступающего столбика ⁰С.

Поправки по (1) и (2) могут  иметь большие значения у термометров  с органическими термометрическими  жидкостями, для которых коэффициент  примерно на порядок выше, чем у ртутных термометров.

Манометрические термометры

Действие манометрических термометров основано на использовании зависимости давления вещества при постоянном объеме от температуры. Замкнутая измерительная система манометрического термометра состоит из (рис. 2) из чувствительного элемента, воспринимающего температуру измеряемой среды, - металлического термобаллона 1, рабочего элемента манометра 2, измеряющего давление в системе, длинного соединительного металлического капилляра 3. При изменении температуры измеряемой среды давление в системе изменяется, в результате чего чувствительный элемент перемещает стрелку или перо по шкале манометра, отградуированного в градусах температуры. Манометрические термометры часто используют в системах автоматического регулирования температуры, как бесшкальные устройства информации (датчики).

Манометрические термометры подразделяют на три основных разновидности:

1. жидкостные, в которых вся измерительная система (термобаллон, манометр и соединительный капилляр) заполнены жидкостью;
2. конденсационные, в которых термобаллон заполнен частично жидкостью с низкой температурой кипения и частично – ее насыщенными парами, а соединительный капилляр и манометр – насыщенными парами жидкости или, чаще, специальной передаточной жидкостью;
3. газовые, в которых вся измерительная система заполнена инертным газом.

Достоинствами манометрических  термометров являются сравнительная  простота конструкции и применения, возможность дистанционного измерения  температуры и возможность автоматической записи показаний. К недостаткам манометрических термометров относятся: относительно невысокая точность измерения (класс точности 1.6; 2.5; 4.0 и реже 1.0); небольшое расстояние дистанционной передачи показаний (не более 60 метров) и трудность ремонта при разгерметизации измерительной системы.

Поверка показаний манометрических  термометров производится теми же методами и средствами, что и стеклянных жидкостных.

 2.2.Бесконтактное измерение температуры

Основные понятия и законы излучения

О температуре нагретого  тела можно судить на основании измерения параметров его теплового излучения, представляющего собой электромагнитные волны различной длины. Чем выше температура тела, тем больше энергии оно излучает.

Термометры, действие которых  основано на измерении теплового  излучения, называют пирометрами. Они позволяют контролировать температуру от 100 до 6000 ⁰С и выше. Одним из главных достоинств данных устройств является отсутствие влияния измерителя на температурное поле нагретого тела, так как в процессе измерения они не вступают в непосредственный контакт друг с другом. Поэтому данные методы получили название бесконтактных.

На основании законов  излучения разработаны пирометры  следующих типов:

1. пирометр суммарного излучения (ПСИ) – измеряется полная энергия излучения;
2. пирометр частичного излучения (ПЧИ) – измеряется энергия в ограниченном фильтром (или приемником) участки спектра;
3. пирометры спектрального отношения (ПСО) – измеряется отношение энергии фиксированных участков спектра.

В зависимости от типа пирометра различаются радиационная, яркостная, цветовая температуры.

Радиационной температурой реального тела Т_р называют температуру, при которой полная мощность АЧТ равна полной энергии излучения данного тела при действительной температуре Т_д.

Яркостной температурой реального тела Т_я называют температуру, при которой плотность потока спектрального излучения АЧТ равна плотности потока спектрального излучения реального тела для той же длины волны (или узкого интервала спектра) при действительной температуре Т_д.

Цветовой температурой реального тела Т_ц называют температуру, при которой отношения плотностей потоков излучения АЧТ для двух длин волн и равно отношению плотностей потоков излучений реального тела для тех же длин волн при действительной температуре Т_д.

Пирометры частичного излучения

К данному типу пирометров, измеряющих яркостную температуру  объекта, относятся монохроматические  оптические пирометры и фотоэлектрические  пирометры, измеряющие энергию потока в узком диапазоне длин волн.

Оптические пирометры

Принцип действия оптических пирометров основан на использовании зависимости  плотности потока монохроматического излучения от температуры. На (рис. 3) представлена схема оптического пирометра с "исчезающей" нитью, принцип действия которого основан на сравнении яркости объекта измерения и градуированного источника излучения в определенной длине волны.