Классификация средств измерения температуры

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

Для измерения температуры служат термометры, которые могут быть контактные или бесконтактные.  Чувстви­тельный элемент контактного термометра входит в непосредствен­ное соприкосновение с измеряемой средой. Бесконтактные термометры  называются пирометрами.

Можно выделить четыре группы термометров:

1. Термометры расширения, основанные на термомеханических свойствах твёрдых и жидких веществ. К ним относятся жидкостные стеклянные, дилатометрические, биметаллические и манометрические термометры.
2. Термометры электрического сопротивления, основанные на зависимости сопротивления проводников или полупроводников от температуры.
3. Термоэлектрические термометры, основанные на зависимости ТЭДС от температуры спая проводников.
4. Пирометры, действие которых основано на восприятии излучения нагретого тела. Диапазон температур. Различают радиационные, оптические и цветовые пирометры.

1.3 Термометры расширения

Термометры расширения подразделяются на жидкостные стеклянные, дилатометрические, биметаллические и манометрические термометры.

Жидкостные стеклянные термометры.

Измерение температуры жидкостными термометрами расширения основано на различии коэффициентов объемного расширения материала оболочки термометра и жидкости, заключенной в ней. В качестве рабочего вещества чаще всего используются ртуть или этиловый спирт, в некоторых случаях — толуол. Оболочка термометров изготовляется из специальных термометрических сортов стекла с малым коэффициентом расширения. Пределы измерения для стеклянных термометров от -200 до 750⁰С.

 

Рис. 1. Схема жидкост­ного стеклян­ного тер­мометра

Жидкостной термометр состоит из стеклянных баллона /, 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 (при температурах меньше +ЮО°С). Запасный резервуар или выступающая за верхним делением шкалы часть капил­лярной трубки служит для предохранения термометра от порчи при чрезмерном перегреве.

О температуре судят по величине видимого измене­ния объема термометрического вещества. Температуру отсчитывают по высоте уровня в капиллярной трубке. Градусная шкала наносится либо непосредственно на внешнюю поверхность массивного толстостенного капил­ляра (палочный термометр), либо на специальную шкальную пластинку, располагаемую внутри внешней стеклянной оболочки термометра (термометр с вложен­ной шкалой), либо на прикладную шкальную пластинку, к которой прикрепляется капиллярная трубка.

В качестве термометрического вещества чаще всего применяют химически чистую ртуть. Она не смачивает стекла и остается жидкой в широком интервале темпера­тур. Некоторым недостатком ртути является малое зна­чение ее коэффициента расширения. Нижний предел из­мерения ограничивается температурой затвердевания ртути и ра­вен -35°С. Верхний предел измерения ртутным термометром определяется допустимыми температурами для стекла: 600°С При замене стекла кварцем верхний предел измерения несколько уве­личивается. Так как температура кипения ртути при нормальном атмо­сферном давлении равна 35б,58°С, то для термометров, предназна­ченных для измерения высоких температур, пространство над ртутью в капиллярной трубке заполняется инертным газом под дав­лением.

Допустимые погрешности измерения термометров зависят от диапазона измерения и цены деления шкалы. Для  технических термометров погрешность  составляет ±1°С,  ла­бораторных ±0,2°С, образцовых термометров ±0,03°С. Для других методов измерения температуры такие ничтожные погрешности практически не дости­жимы.

В целях сигнализации и регулирования температуры широко применяются электроконтактные термометры с постоянно впаянными контактами или с одним подвижным контактом, с помощью которого осуществляется настройка термометра.

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 (если исключить применение замедленной киносъемки), передачи пока­заний на расстояние (если не пользоваться средствами телевиде­ния) и ремонта (разбитый термометр восстановить нельзя!).

Дилатометрические термометры

Действие термометров основано на тепловом расширении твёрдых тел. Принцип действия стержневого дилатометрического термометра (рис.2) основан на использовании разности удлинений трубки 1и стержня 2 при нагреве вследствие различия их коэффициентов линейного расширения. Трубка изготовляется из материала с малым коэффициентом линейного расширения (кварц, инвар), а стержень — с большим (латунь, медь, алюминий, сталь). Движение стержня передается стрелке прибора с помощью передачи 3.         Пределы измеряемых температур лимитируются стабильностью коэффициентов линейного расширения, химической устойчивостью и тепловой прочностью рабочего тела. Максимальная температура лежит в пределах 500…700 ⁰С.

Биметаллические термометры активно используются и как шкальные показывающие приборы, устанавливаемые на технологическом оборудовании,  и в качестве датчиков-реле температуры (электроконтакных термомертов). К основным элементам конструкции у биметаллических термометров относят подвижный и неподвижный термочувствительные элементы, упругие пружинные элементы, электрические контакты, элементы, передающие перемещение заданной точки рабочего тела подвижного термочувствительного элемента электроконтактной группе, элементы настройки.  В датчиках-реле температуры при изменении температуры среды изменяется длина трубки; связанный с ней стержень перемещается, в результате чего замыкаются (размыкаются) контакты или перемещается чувствительный элемент преобразователя (рис.2).

 

Биметаллические термометры

        Действие биметаллических термометров, так же как и дилатометрических, основано на использовании теплового расширения твердых тел – металлов.

Биметаллические термометры (рис.3) имеют чувствительный элемент в виде спиральной или плоской пружины, состоящей из двух пластин 1 и 2 из разных металлов, сваренных по всей длине. Внутренняя пластина 2 имеет больший коэффициент линейного расширения, чем внешняя 1, поэтому при нагреве такая пружина раскручивается, при этом стрелка 3 перемещается. Чаще всего применяют медноцинковый сплав — латунь  и сплав железа с никелем —инвар, с существенно различными коэф­фициентами теплового расширения. Дилатометрическими и биметаллическими термометрами измеряется температура в пределах от —150 до +700 °С (погрешность 1—2,5%).

 

В биметаллических термометрах, используемых в качестве датчика-реле температуры, чувствительным элементом конструкции является термобиметаллический хлопающий диск. При изменении температyры среды биметаллическая пластинка (спираль) изгибается, перемещая чyвствительный элемент преобразователя или переключая контакты

Они широко применяются в холодильных установках, водогрейных установках, бытовых холодильниках, кондиционерах и т. п.

  Манометрические термометры

Принцип действия этих термометров основан на использовании зависимости давления вещества при постоянном объеме от температуры.

В зависимости от заполнителя (рабочего вещества) эти термометры подразделяются на газовые, жидкостные и конденсационные, имеющие аналогичное устройство.

Прибор (рис.4) состоит из термобаллона 1,капиллярной трубки 2, защищенной металлическим рукавом, и манометрической части, заключенной в специальном корпусе. Вся внутренняя полость системы прибора заполняется рабочим веществом. При нагреве термобаллона увеличивается объем жидкости или повышается давление рабочего вещества внутри замкнутой термосистемы. Эти изменения воспринимаются манометрической трубкой 5, которая через передаточный механизм, состоящий из тяги 7 и сектора 6, воздействует через зубчатое колесо (трибку) 4 на стрелку прибора 3. Термобаллон имеет цилиндрическую форму, его диаметр и длина зависят от рода термометрического вещества и диапазона измеряемых температур. Манометрическая пружина имеет сечение овальной формы или в виде восьмерки.

Диапазон измерения температур с помощью манометрических термометров от —150 °С до +1000° С. Класс точности 1-2,5. Используются они практически во всех отраслях пищевой промышленности как для технологического контроля, так и для автоматического регулирования жидких и газообразных сред в промышленных охлаждающих, замораживающих, вентиляционных и подогревающих установках.

Манометрические термометры подразделяют на три основных разновидности:

1)   жидкостные, в которых вся  измерительная система  (термобаллон,  манометр  и  соединительный   капилляр)   заполнена   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   (термобаллон, манометр и капилляр) заполнена инертным газом.

Газовые термометры

В этих приборах герметически замкнутая термосистема заполняется азотом, аргоном или гелием. Начальное давление газа в термосистеме составляет 1—5 МПа. Шкала прибора линейная. Вследствие высокого давления газа в термосистеме колебания атмосферного давления незначительно влияют на показания прибора. Колебания же температуры окружающей среды вызывают заметные погрешности. Отклонения температуры окружающей среды от 20 °С (нормальной градуированной температуры) вызывают погрешность измерения вследствие изменения состояния капилляра и манометрической трубки. Область применения газовых термометров лежит в интервале от — 160 до +1000°С.

Однако при правильно подобранном соотношении объема термобаллона и суммарного объема капилляра и манометрической трубки погрешности могут быть сведены к минимуму. При объеме термобаллона, в несколько раз превышающем объем капилляра и манометрической трубки, погрешности от изменения температуры окружающей среды невелики.

Жидкостные термометры.

В этих 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 измерений в интервале температур от -80 до 320°С. Измеритель­ная система заполняется термометрическим веществом под большим начальным давлением (при температуре заполнения).  Шкала жидкостных манометрических термометров линейная. Благодаря тому что жидкости, запол­няющие термосистему, обладают большой теплопроводностью, инерционность этих термометров ниже, чем газовых.

Конденсационные термометры.

Термобаллон в этих термометрах обычно заполняется на ²/з объема низкокипящей жидкостью: фреоном, метилхлоридом, ацетоном. При повышении температуры увеличивается давление пара в термосистеме, которое через капилляр передается манометрической пружине. Однако изменение давления пара непропорционально изменению температуры, что является недостатком этого типа приборов, шкала которых нелинейная. Конденсационные приборы наиболее чувствительны, однако диапазон измерения их невелик:

0—200°С. На показания приборов влияют изменения атмосферного давления, но не влияют изменения температуры окружающей среды.

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.  Основным манометрических термометров является большая тепловая инерционность, достигающая 1,5 мин и более.

Манометрические термометры выпускаются самых разнообразных модификаций: показывающие, самопишущие, в различных корпусах, снабжаются соответствующими преобразователями, регулирующими и сигнализирующими устройствами и т. п. В  пищевой промышленности манометрические термометры используются в пожароопасных и взрывоопасных производствах (сахарное, мукомольное, спиртовое), когда нельзя использовать элек­трические методы дистанционного измерения температуры.

 

Широко применяются  манометрические датчики-реле температуры.

Принцип действия этих датчиков основан на сравнение усилия, создаваемого насыщенными парами наполнителя, например, хладона с усилием пружины настройки (рис.4).

При повышении температуры термобаллона 1 изменяется давление наполнителя, которое в чув­ствительной системе 2 преобразуется в усилие, которое, в свою очередь, через шток 3 передается на рычаг 4. Последний, преодолевая усилие пру­жины 5, поворачивается вокруг оси 6 и воздей­ствует на переключатель 7. Происходит переклю­чение контактов. При понижении температуры происходит обратное срабатывание. Настройка на требуемую температуру срабатывания произ­водится винтом 8. Значение срабатывания уста­навливается по шкале 9.

Данная схема реализована на внедренных на ЗАО «ОРЛЭКС» манометрических датчиках-реле температуры. Прибор предна­значен для контроля и регулирования температуры жидких и газообразных сред в промышленных охлаждающих, замораживающих, вентиляцион­ных и подогревающих установках. Контролируе­мые среды: воздух, хладоны, масла, дизельное то­пливо, вода и другие, неагрессивные к меди и медным сплавам.