Измерение температуры

Измерение температуры

К списку статей

Температура является важным параметром, определяющим не только протекание технологического процесса, но и свойства вещества. Для измерения температуры  в системе единиц СИ принята температурная  шкала с единицей температуры  Кельвин (К). Начальной точкой этой шкалы  является абсолютный нуль (0 К).

Для технологических измерений  часто применяют температурную  шкалу с единицей температуры градус Цельсия (°С),

Для измерения температуры  используют различные первичные  преобразователи, отличающиеся способом преобразования температуры в промежуточный  сигнал. В промышленности наибольшее применение получили следующие первичные  преобразователи: термометры расширения, манометрические термометры, термометры сопротивления, термопары (термоэлектрические пирометры) и пирометры излучения. Все они, за исключением пирометров излучения, в процессе эксплуатации находятся в контакте с измеряемой средой.

Термометры расширения

Действие термометров  расширения основано на изменении объема жидкостей и твердых тел при  изменении температуры. Из термометров  расширения наиболее широко применяют  жидкостные стеклянные термометры. Такой  термометр заполняется жидкостью (ртуть, толуол, этиловый спирт и  др.), которая с увеличением темпера  туры расширяется и поднимается вверх по капилляру.

Таким образом, температура, измеряемая жидкостным термометром, преобразуется  в линейное перемещение жидкости. Шкала наносится прямо на поверхность  капилляра или прикрепляется к нему снаружи.

При монтаже стеклянный термометр  помещают в защитную металлическую  оправу, изолирующую его от измеряемой среды.

Манометрические термометры

Действие манометрических  термометров основано на изменении  давления газа, пара или жидкости в  замкнутом объеме при изменении  температуры. Манометрический термометр состоит из термобаллона, гибкого капилляра и манометра.

В зависимости от заполняющего вещества манометрические термометры делятся на газовые, парожидкостные и жидкостные.

Термобаллон манометрического термометра помещают в измеряемую среду. При нагреве термобаллона внутри замкнутого объема увеличивается давление, которое измеряется манометром. Шкала манометра градуируется в единицах температуры. Капилляр (обычно латунная трубка внутренним диаметром, составляющим доли миллиметра) позволяет удалить манометр от места установки термобаллона. Капилляр по всей длине защищен оболочкой из стальной ленты. Манометрические термометры могут применяться во взрывоопасных помещениях. При необходимости передачи результатов измерений манометрические термометры снабжают промежуточными преобразователями с унифицированными выходными пневматическими или электрическими сигналами.

Наиболее уязвимыми в  конструкции манометрических термометров  являются места присоединения капилляра  к термобаллону и манометру. Поэтому монтировать и обслуживать такие приборы следует осторожно.

Термометры сопротивления

Действие термометров  сопротивления основано на свойстве тел изменять электрическое сопротивление при изменении температуры. У металлических термометров сопротивление с возрастанием температуры увеличивается практически линейно, у полупроводниковых, наоборот, уменьшается.

Металлические термометры сопротивления  изготовляют из тонкой медной или  платиновой проволоки 1, помещенной в  Электроизоляционный корпус 2. Зависимость  электрического сопротивления от температуры (для медных термометров от -50 до +180°С, для платиновых — от -200 до +750°С) весьма стабильна и воспроизводима. Это обеспечивает взаимозаменяемость термометров сопротивления.

Для защиты термометров сопротивления  от воздействия измеряемой среды  применяют защитные чехлы. Приборостроительная  промышленность выпускает много модификаций защитных чехлов, рассчитанных на эксплуатацию термометров при различном давлении, различной агрессивности измеряемой среды, обладающих разной инерционностью и глубиной погружения.

Полупроводниковые термометры сопротивления (термисторы) для измерений  в промышленности применяют редко, хотя их чувствительность гораздо выше, чем проволочных термометров  сопротивления. Это объясняется  тем, что градуировочные характеристики термисторов значительно отличаются друг от друга, что затрудняет их взаимозаменяемость.

Термометры сопротивления  представляют собой первичные преобразователи  с удобным для дистанционной  передачи сигналом — электрическим  сопротивлением. Для измерения такого сигнала обычно применяют автоматические уравновешенные мосты. При необходимости  выходной сигнал термометра сопротивления  может быть преобразован в унифицированный. Для этого в измерительную цепь включают промежуточный преобразователь. В этом случае измерительным будет прибор для измерения постоянного тока.

Термопары

Принцип действия термопар (термоэлектрических пирометров) основан  на свойстве двух разнородных проводников  создавать термоэлектродвижущую силу (термо-э. д. с.) при нагревании места их соединения — спая. Проводники в этом случае называются термоэлектродами, а все устройство — термопарой.

Величина термо-э. д. с. термопары U зависит от материала термоэлектродов и разности температур горячего спая и холодных спаев. Поэтому при измерении температуры горячего спая температуру холодных спаев стабилизируют или; вводят поправку на ее изменение.

В промышленных условиях стабилизация температуры холодных спаев термопары  затруднительна и обычно используют второй способ — автоматическое введение поправки на температуру холодных спаев. Для этого применяют: неуравновешенный мост, включаемый последовательно с  термопарой.

В одно плечо такого моста  включен медный резистор, расположенный  около холодных спаев. При изменении  температуры холодных спаев термопары  изменяется сопротивление резистора  и выходное напряжение неуравновешенного  моста. Мост подбирают таким образом, чтобы изменение напряжения было равно по величине и противоположно по знаку изменению э. д. с. термопары  вследствие колебаний температуры холодных спаев.

Термопары являются первичными преобразователями температуры  в э. д. с. — сигнал, удобный для дистанционной передачи. Поэтому в измерительную цепь за термопарой может быть сразу включен измерительный прибор. Для измерения э. д. с. термопары обычно применяют автоматические потенциометры.

В автоматических потенциометрах, работающих в комплекте с термопарами, медный резистор включается в одно плечо моста. Показания такого потенциометра  будут изменяться лишь при изменении  температуры горячего спая термопары. Это объясняется тем, что изменение  э. д. с. термопары под воздействием температуры холодных спаев будет  автоматически компенсироваться дополнительным изменением выходного напряжения моста  вследствие изменения сопротивления резистора.

Если э. д. с. термопары  преобразуют в унифицированный  сигнал промежуточным преобразователем, то компенсация температуры холодных спаев производится неуравновешенным мостом, который входит в состав преобразователя.

Медный резистор размещают  в потенциометре или промежуточном  преобразователе. Следовательно, там  же должны находиться и холодные спаи термопары. В этом случае длина термопары  должна быть равна расстоянию от места  измерения температуры до места  установки прибора. Такое условие  практически невыполнимо, так как  термоэлектроды термопар (жесткая проволока) неудобны для монтажа. Поэтому для соединения термопары с прибором применяют специальные соединительные провода, подобные по термоэлектрическим свойствам термоэлектродам термопар. Такие провода называются компенсационными. С их помощью холодные спаи термопары переносятся к измерительному прибору или преобразователю.

В промышленности применяют  различные термопары, термоэлектроды которых изготовлены как из чистых металлов (платина), так и из сплавов хрома и никеля (хромель), меди и никеля (копель), алюминия и никеля (алюмель), платины и родия (платинородий), вольфрама и рения (вольфрамрений). Материалы термоэлектродов определяют предельное значение измеряемой температуры. Наиболее распространенные термоэлектродные пары образуют стандартные термопары: хромель-копель (предельная температура 600°С), хромель-алюмель (предельная температура 1000°С), платинородий-платина (предельная температура 1600°С) и вольфрамрений с 5% рения — вольфрамрений с 20 % рения (предельная температура 2200°С). Промышленные термопары отличаются высокой стабильностью и воспроизводимостью градуировочных характеристик, что позволяет заменять их без какой-либо переналадки остальных элементов измерительной цепи.

Термопары, как и термометры сопротивления, устанавливают в  защитных чехлах, на которых указан тип термопары. Для высокотемпературных  термопар применяют защитные чехлы  из теплостойких материалов: фарфора, оксида алюминия, карбида кремния  и т. п.

Пирометры излучения

Пирометры излучения предназначены  для бесконтактного измерения температуры  по тепловому излучению нагретых тел. Наиболее распространены радиационные пирометры.

Действие радиационного  пирометра основано на измерении  всей энергии излучения нагретого  тела. Лучи от нагретого тела объективом фокусируются на зачерненной пластинке  и нагревают ее. Температура пластинки  при этом оказывается пропорциональной энергии излучения, которая, в свою очередь, зависит от измеряемой температуры. Для измерения температуры пластинки  обычно применяют батарею последовательно  включенных термопар, э. д. с. которой  измеряется автоматическим потенциометром.

В комплект пирометра входят телескоп, измерительный прибор и  вспомогательное оборудование, предназначенное  для защиты телескопа от воздействия  измеряемой среды (копоти, пыли, высокой  температуры).