Понятие о температуре и о температурных шкалах

Биметаллические элементы используют иногда для корректировки показаний измерительных приборов при изменении температуры окружающей среды (см. рис. 10-9).

 

Рис. 4. Схема чувствительного  элемента биметаллического термометра:

а — при   нормальной    температуре;    б — при    повышенной;  1 — латунь;  2 — инвар 

 

 

Дилатометрические термометры как указатели температуры обычно не применяют. Их используют в качестве устройств информации (датчиков) в системах автоматического регулирования. На рис. 5 показано одно из таких устройств. Чувствительный

Рис. 3-5. Схема дилатометрического устройства измерения температуры.

 

элемент выполнен из металлической  оболочки 1  и кварцевого или фарфорового стержня 2. Рычаги 3 и  4 пропорционально увеличивают разность расширения оболочки и стержня и создают входной сигнал для гидравлического усилительного устройства 5 автоматического регулятора температуры в трубопроводе 6.

Биметаллические и дилатометрические  термометры на практике применяют сравнительно редко.

 
 

Манометрические термометры

Действие манометрических  термометров основано на использовании зависимости давления  вещества при постоянном объеме от температуры. Замкнутая измерительная система манометрического термометра состоит (рис. 3-6)  из чувствительного  элемента,   воспринимающего температуру   измеряемой   среды, — металлического термобаллона   /, рабочего  элемента   манометра   2,   измеряющего давление  в  системе,  и  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 бес шкальные устройства информации (датчики). 

 

Рис 6. Схема  манометрического термометра

 

Манометрические термометры подразделяют на три основных разновидности:

1) жидкостные, в которых  вся  измерительная система  (термобаллон,  манометр  и  соединительный   капилляр)   заполнена   жидкостью;

2) конденсационные   (по старым терминологиям:  паровые или парожидкостные), 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   (термобаллон, манометр и капилляр) заполнена инертным газом.

Достоинствами манометрических  термометров являются: сравни тельная  простота конструкции и применения, возможность дистанционного измерения температуры (передачи показаний на расстояние) и возможность автоматической записи показаний.

К недостаткам манометрических  термометров относятся: относительно невысокая точность измерения (класс точности 1,6; 2,5 или 4,0 и реже 1,0); небольшое расстояние дистанционной передачи показаний (не более 60 м)и трудность ремонта при разгерметизации измерительной системы., у

В жидкостных манометрических  термометрах в качестве термометрического вещества чаще всего используют ртуть для измерений в интервале температур от -25 до 600°С и реже органические жидкости: метиловый спирт или ксилол С₆Н₄(СНз)₂ для измерений в интервале температур от -80 до 320°С. Измерительная система заполняется термометрическим веществом под большим начальным давлением (при температуре заполнения). Это необходимо для того, чтобы снизить возможные дополнительные погрешности за счет гидростатического давления жидкости.

В конденсационных  манометрических термометрах наибольшее распространение получили термометрические вещества, приведенные в табл. 3-2.

Таблица   3 

Термометрические  вещества для конденсационных манометрических  термометров

 
 
 
 
 

Наименование	Формула	Температура кипения при  нормальном атмосферном давлении, °С	Критическая температура. °С	Критическое давление, бар	Пределы применения, °С
					нижний	верхний
Хлор-метил	СН3С1	-23,7	+ 143,2	64,5	—25	+75
Хлор-этил	С2Н5С1	+12,2	170,0	50,6	0	120
Ацетон	С3Н60	+56,1	235,0	46,1	+60	Ш)
Бензол	С6Н6	+79,6	288,5	46,8	+80	; 250
Ртуть	Hg	356,6	—	—	350	500

Ртуть используют в устройствах  информации (датчиках) некоторых систем автоматического регулирования.

Верхний предел применения для  органических жидкостей обычно выбирают близким к давлению порядка 20бар.

В качестве передаточной жидкости, заполняющей капилляр и манометр конденсационных термометров, чаще всего применяют глицерин (пропантриоль) в смеси со спиртом или водой.

У конденсационных манометрических  термометров возможно появление  дополнительных погрешностей: 1) гидростатической (из-за различной высоты расположения термобаллона и манометра) и 2) атмосферной из-за колебания атмосферного давления (особенно для начала шкалы). Погрешность за счет температуры окружающей среды теоретически отсутствует, так как изменение объема передаточной жидкости приводит лишь к изменению соотношения между жидкой и паровой фазой в термобаллоне, не меняя в нем давления, зависящего только от температуры. Однако практически небольшая погрешность при изменении температуры окружающей среды все же наблюдается (за счет манометра) и нормируется (ГОСТ 8624—64) значением до 0,25% на каждые 10°С отклонения температуры от +20°С.

Шкалы конденсационных термометров  получаются существенно неравномерными из-за нелинейного соотношения между  температурой кипения и соответствующим давлением (рис. 3-8). Рабочая часть шкалы располагается в верхней ее половине. Длина соединительного капилляра достигает 60 м- 

 

Рис. 6.   Зависимости   температуры кипения от  давления: 1 — хлор-метила;     2 — хлорэтила;     3 — ацетона   и  4 — бензола 

 

В газовых манометрических  термометрах в качестве термометрического вещества обычно используют азот. Область применения газовых термометров по ГОСТ 8624—64 лежит в интервале от — 160 до +600°С.

Дополнительные погрешности  могут появиться при изменении  температуры окружающей среды (коэффициент  теплового расширения газов много больше, чем у жидкостей, и равен приблизительно 0,00365 град^-1). Для уменьшения их приходится увеличивать размеры термобаллона и уменьшать сечение капилляра. Чем больше длина капилляра, тем больше получаются размеры термобаллона. При длине капилляра 60 м термобаллоны газовых термометров, серийно изготовляемых, имеют наружный диаметр 22 мм, а рабочую длину 435 мм.Такие размеры термобаллона могут создать трудности при установке их в объекты измерения. По ГОСТ 8624—64 допустимая дополнительная приведенная погрешность газовых термометров при отклонении температуры окружающей среды на 10°С не должна превышать 0,5%.

Манометрические термометры не имеют большого применения на тепловых электрических станциях. В промышленной теплоэнергетике они встречаются чаще, особенно в случаях, когда по условиям взрыво или пожаробезопасности нельзя использовать электрические методы дистанционного измерения температуры.

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

Термометры сопротивления

Общие сведения о  термометрах сопротивления

Измерение температуры по электрическому сопротивлению тел / / (обычно металлических) основывается на зависимости их сопротивления от температуры. У большинства чистых металлов с ростом температуры сопротивление увеличивается приблизительно на 0,4% -град^-1, а у металлов ферромагнитной группы (железо, никель, кобальт)—приблизительно на 0,65% -град"1. Металлические сплавы имеют более низкие температурные коэффициенты вплоть до значений, близких к нулю. Очень большие отрицательные температурные коэффициенты, когда сопротивление уменьшается с увеличением температуры, наблюдаются  у некоторых полупроводниковых соединений.

Электрические термометры сопротивления  практически позволяют измерять температуру с высокой степенью точности — до 0,02°С, а при измерениях небольшой разности температур — до 0,0005°С. Обязательное наличие источника тока, а также большие размеры чувствительного элемента у термометров сопротивления ограничивают их применение. Если у термопар температура определяется в точке соединения двух термоэлектродов, то у термометров сопротивления — на участке некоторой длины.

Чаще применяют металлические  термометры сопротивления. Материалы  для термометров сопротивления  должны обладать следующими свойствами: а) высоким удельным сопротивлением; б) высоким температурным коэффициентом; в) химической инертностью; г) легкой технологической воспроизводимостью; д) дешевизной; е) постоянством физических свойств во времени.

Металлические сплавы, обладающие обычно высоким удельным сопротивлением, но небольшим температурным коэффициентом, непригодны в качестве материала  для термометров сопротивления. Неоднократные попытки широкого использования никеля и железа, обладающих большим температурным коэффициентом  и высоким удельным сопротивлением, практически потерпели неудачу. Эти металлы в чистом виде получить трудно. Кроме того, они крайне слабо  сопротивляются химическим воздействиям. По разным причинам отпала возможность использовать и многие другие металлы. Наиболее подходящими материалами для термометров сопротивления оказались платина (для измерений в интервале от —200 до 650°С) и медь (в интервале от —50 до +180°С).

Платина — дорогостоящий  материал, химически инертен и  легко получается в чистом виде. Удельное сопротивление платины Q₀ = 0,0981 • 10^-6 Ом∙м, при 0°С— достаточно большое. При температуре t полное  сопротивление Rt (Ом)   термометра   определяется зависимостями:

для

t>0 (3)

для

t<0 (4)

Аналогичные   зависимости   имеет   и   удельное    сопротивление

Q_t, _ОМ/М.

Для платины марки Пл-2 (ГОСТ 8588—64), применяемой обычно в  стандартных термометрах сопротивления, коэффициенты в (3) и (4) имеют значения: А =3,96847∙10^-3 град^-1; В = -5,847∙ 10^-7 град^-2; С= -4,22∙10^-12 град^-4

Чистота платины характеризуется  отношением сопротивления rioo при температуре 100°С к сопротивлению R₀при 0°С. Для платины марки Пл-2 по (3) отношение Rm : R₀= 1,391. Особо чистая платина марки Пл-0 характеризуется отношением R ₁₀₀ :R₀ = 1,3925. Чем больше загрязнена платина, тем меньше это отношение.

Медь обладает малым удельным сопротивлением Q₀ =0,0155-10^-6 Ом-м. Медь получается электролитическим путем, поэтому даже обычные торговые сорта меди отличаются высокой степенью чистоты. Медные провода в различной изоляции выпускаются в широком ассортименте практически любых сечений. Однако при высоких температурах наблюдается интенсивное окисление даже изолированных медных проводников, что ограничивает верхний предел измерения. Температура +180°С является допустимым пределом применения лаковой изоляции проводов.

В применяемом интервале  температур от —50 до +180°С сопротивление меди практически линейно зависит от температуры. Отношение R₁₀₀: R₀= 1,426.

Кроме чистых металлов, для  термометров сопротивления используются также некоторые полупроводниковые материалы.

При измерениях сопротивлений  ток, протекающий по термометру, должен быть небольшим. Иначе выделение тепла может привести к заметной разности температур термометра и окружающей среды. Для технических термометров тепловая энергия, выделяемая в термометре, или мощность рассеивания должна быть не более 10 мет, а для полупроводниковых термометров (разных типов)— не более 0,3—2 мет. 

Платиновые термометры сопротивления

Технические термометры  (тип ТСП)   чаще всего  выполняются в конструктивной форме, показанной на рис. 7.

Неизолированную платиновую проволоку 1 диаметром 0,07 мм бифилярно  наматывают на слюдяную пластинку 2 с  зубчатыми краями. Бифилярная намотка  необходима для того, чтобы исключить появление индуктивного сопротивления. Пластинка с намотанной на ней платиновой проволокой покрывается с двух сторон слюдяными пластинками таких же размеров. Все три пластинки скрепляются серебряной лентой 4 в пакет. К каждому концу платиновой проволоки приваривается подводящий провод 3 из серебра диаметром 1 мм. Подводящие провода изолируются фарфоровыми бусами 5 и присоединяются к зажимам на головке термометра. Такой чувствительный элемент помещают в тонкостенную алюминиевую трубку 6 (рис. 7), в нижней части которой расположен массивный вкладыш 7 с плоской прорезью для чувствительного элемента. Вкладыш улучшает условия теплопередачи от трубки к чувствительному элементу. Алюминиевую трубку вместе с подводящими проводами помещают во внешний защитный чехол 8, выполняемый обычно из стальной трубы.

Внешний вид и размеры  термометров такие же, как и  у термоэлектрических термометров. Длина чувствительного элемента во всех конструкциях обычно не меньше 90—100 мм.

 

Рис. 7. Конструктивная схема    платиновых   термометров       сопротивления: а — схема бифилярной намотки проволоки / на слюдяную пластинку 2; б—чувствительный элемент термометра в арматуре

 

У термометров с уменьшенной  тепловой инерцией массивный вкладыш не применяется и пакет из трех слюдяных пластин помещается между двумя пружинящими лепестками из тонкого (0,1 мм) дюралюминия.

Термометры малоинерционные (с постоянной времени менее 9 сек) имеют чувствительный элемент иной конструкции: платиновая проволока, намотанная на

стеклянный стержень, оплавляется  стеклом и помещается во внешний защитный чехол с наружным диаметром 10 мм.

У термометров, предназначенных  для измерения отрицательных  температур, алюминиевая трубка с  чувствительным элементом заливается парафином для защиты от образования  конденсата.