Измерение температуры

Термометр

Температурой называется физическая величина, характеризующая степень нагретости тела. Это понятие связано со способностью тела с более высокой температурой передавать свою теплоту телу с более низкой температурой до тех пор, пока их температуры не сравняются. Одновременно с изменением температуры тела меняются и их физические свойства.

Термометры.

Термометр — это датчик, который служит для измерения температуры воздуха, почвы, воды и многого другого. Они применяются во всех аспектах жизнедеятельности, потому что это прибор для измерения температуры воздуха, почвы и воды и прочего.

Thermometer бывают

жидкие датчики для измерения температуры,
механические датчики измерения температуры,
электрические датчики для измерения температуры,
оптические датчики измерения температуры,
газовые датчики для измерения температуры.

Принцип действия этого прибора нам известен из школьной программы, он основан на тепловом расширении жидкости.

Как Вы понимаете, прибор измерения температуры неприхотлив в обращении, поэтому может использоваться как в технике, так и в лабораторной практике.

В настоящее время существует огромное колличество разновидностей градусников: жидкостные стеклянные, термометры расширения твердых тел, манометрические, термоэлектрические (термопары), термопреобразователи сопротивления и многие другие.
Разумеется, каждый прибор предназначен для различных измерений температуры и измеряет температуру различными способами измерения.

Приборы для измерения температуры классифицируют в зависимости от того, какой метод измерения положен в основу их конструкции: контактный (метод непосредственного соприкосновения измерительного прибора с измеряемой средой) и неконтактный (метод, основанный на расположении измерительного прибора, на расстоянии от измеряемой среды).

К приборам, основанным на контактном методе измерений, относятся жидкостные стеклянные, расширения твердых тел, манометрические , термоэлектрические (термопары), термопреобразователи сопротивления и другие.

К измерителям температуры, основанным на неконтактном методе изерений, относятся пирометры излучения.

Жидкостные стеклянные градусники состоят из двух основных частей: резервуара с термометрической жидкостью и соединенной с ним капиллярной трубки (капилляра). Сзади капилляра расположена пластинка из молочного стекла, на которой нанесены деления шкалы.

Термометрическая жидкость заполняет резервуар и часть капилляра, представляющего собой тонкую стеклянную трубку. При изменении температуры объем жидкости изменяется, вследствие чего столбик жидкости в капилляре поднимается или опускается на величину, пропорциональную изменению температуры. Положение верхней части (мениска) столбика жидкости определяет измеряемую температуру.

Для технических стеклянных приборов (ГОСТ 9177—74) вкачестве термометрической жидкости используют толуол (для измерения температур от —90 до +30° С), ртуть (от —30 до +500°-С), полиэтилсилоксан, керосин или другие органические жидкости (от —60 до +200°С). Термометры с ртутным заполнением могут быть снабжены контактами для сигнализации. Такие датчики называются контактными или термосигнализаторами. Контакты обычно впаивают в капилляр: один у нижней точки шкалы, а другие на определенных ее отметках. Замыкание контактов происходит в момент повышения температуры среды при соприкосновении их с ртутью.

В промышленных условиях стеклянные измерители температуры с ртутным заполнением устанавливают в оправах для предохранения их от механических повреждений. Промышленность выпускает оправы нескольких видов: допускающие непосредственное соприкосновение резервуара с измеряемой средой (их применяют при давлениях измеряемой среды, близких к атмосферному) и изолирующие резервуар от непосредственного соприкосновения с измеряемой средой.

По форме оправы разделяются на прямые и угловые, изогнутые под углом 90° и 135°. Оправы изготовляют согласно ГОСТ 3029—75Е. Основные размеры их: высота верхней части (Я) —150, 200 или 260 мм, высота смотрового отверстия (h) —соответственно 80, 130 или 190 мм, монтажная длина (L) —от 60 мм до 2 м.

Манометрические термометры (ГОСТ 8624—80) подразделяют на жидкостные; парожидкостные и газовые. Чувствительным элементом у них служит трубчатая (манометрическая) пружина, упругая деформация которой зависит от изменения объема (в жидкостных) или давления (в парожидкостных и газовых) рабочего вещества в замкнутой системе под действием температуры.

В жидкостном градуснике термобаллон цилиндрической формы, металлическая капиллярная трубкаи трубчатая манометрическая пружина образуют замкнутую систему.

В измеряемую среду помещают термобаллон, полностью заполненный термометрической жидкостью. При увеличении температуры измеряемой среды в термобаллоне образуется избыточный объём жидкости, который поступает в манометрическую пружину. Увеличение объема в замкнутой системе приводит к увеличению давления, отчего манометрическая пружина стремится выпрямиться, ее свободный конец перемещается и через систему рычагов и зубчатых колес перемещает стрелку по шкале. По положению стрелки судят об измеряемой температуре.

В парожидкостных градусниках термобаллон частично заполнен термометрической жидкостью с низкой температурой кипения (ацетон, метилхлорид). Остальная часть системы заполнена насыщенными парами этой жидкости. Давление насыщенного пара изменяется в зависимости от температуры и передается на трубчатую пружину по капилляру посредством сконденсировавшейся жидкости. Давление насыщенных паров изменяется не пропорционально температуре, поэтому у парожидкостных градусников шкала не равномерная.

В газовых приборах измерения температуры вся система заполняется инертным газом (азотом, гелием). Изменение температуры вызывает в таком градуснике изменение давления инертного газа при постоянном его объеме в замкнутой системе термобаллон—капилляр — трубчатая пружина. Чем выше температура, тем большим будет давление газа в системе, вследствие чего трубчатая пружина, стремясь выпрямиться, будет поворачивать через систему рычагов стрелку по шкале. Давление жидкости и инертных газов возрастает пропорционально увеличению температуры, поэтому шкалы жидкостных и газовых температуромеров равномерные.

Термоэлектрические являются первичными преобразователями, выходной сигнал которых измеряется магнитоэлектрическими милливольтметрами или автоматическими потенциометрами.

Термоэлектрический прибор представляет собой чувствительный элемент, выполненный в виде двух проводников из разных металлов (или полупроводников) со спаянными концами. Сущность термоэлектрического эффекта заключается в том, что в месте соединения двух проводников из разных металлов возникает электродвижущая сила, называемая термоэлектродвижущей (сокращенно термо-ЭДС).

Термо-ЭДС зависит от материала проводников А и Б, а также от температуры горячего края, называемого свободным концом. Свободный конец термоэлектрического датчика должен находиться в зоне постоянной температуры, имеющей определенное значение. При этом условии термо-ЭДС термоэлектрического градусника, а значит и показания измерительного прибора будут зависеть только от Температуры рабочего конца. Фактически свободный конец термоэлектрического датчика, как правило, находится в зоне переменной температуры, поэтому в качестве соединительных применяют так называемые компенсационные провода, позволяющие перенести свободный конец в зону с постоянной известной температурой. Для предохранения от повреждений термоэлектрические датчики заключают в защитную арматуру.

Термоэлектрические градусники имеют стабильную характеристику: термо-ЭДС, развиваемая ими, стандартизована, что делает их взаимозаменяемыми.

По ГОСТ 6616—74 предусмотрено изготовление следующих пяти типов термоэлектрических приборов: вольфрамрений (5% рения)—вольфрамренлевые (20% рения) типа ТВР; платинородий — шатиновые типа ТПП; платинородий (30% родия)—платинородиевые (6%/родия) типа ТПР; хромель-алюмелевые типа ТХА; хромель-копелевые типа ТХЖ. Кроме того, промышленность изготовляет нестандартные вольфрам-молибденовые термоэлектрические датчики типа ВМ.

Верхний предел температур зависит от их типа. Так, измеритель температуры ТВР применяют для измерения температур до 2200° С, а ТПП —до 1300° СД соответственно ТПР —до 1600, ТХА —до 10QQ и ТХК — до 600°С).

Магнитоэлектрические милливольтметры изготовляют по ГОСТ 9736—80. Прибор состоит из постоянного магнита подковообразной формы, на концах которого помещены полюсные наконечники, а между наконечниками — железный цилиндрический сердечник. Между сердечником и наконечниками образуется цилиндрический кольцевой зазор, в котором находится рамка, состоящая из большого числа витков тонкой медной проволоки. Рамка опирается иглами (кернами) на две опоры.

Магнит создает в кольцевом зазоре постоянное магнитное поле. К двум концам рамки через спиральные пружины и подводится электрический ток от грудусника. Протекающий по рамке ток взаимодействует с магнитным полем, вследствие чего рамка вращается в определенном направлении. Вращению рамки противодействует упругая сила пружин, поэтому рамка остановится в некотором положении, определяемом силой тока, проходящего в ней. Вместе с рамкой вращается укрепленная на ней стрелка, Шкалаградуируется в милливольтметрах и градусах Цельсия (°С).

Точность показаний милливольтметров зависит от постоянства температуры свободных концов термоэлектрического термометра и от постоянства температуры, окружающей комплект. Кроме того, милливольтметры боятся вибрацию.

Автоматические электронные потенциометры этих недостатков не имеют. В основу их положен компенсационный (потенциометрический) метод измерения, при котором измеряемая термо-ЭДС термоэлектрического прибора уравновешивается известной разностью потенциалов на калиброванном сопротивлении (реохорде).

Принципиальная схема потенциометра выглядит следующим образом: к источнику тока (сухой элемент с номинальным напряжением 1,5 В) присоединен реохорд. Термоэлектрический прибор, термо-ЭДС которого необходимо измерить, через нуль-прибор присоединяют к началу сопротивления и к контакту, который может передвигаться по сопротивлению (резистору). По сопротивлениюпотечет ток, сила которого может быть определена по формуле I=E/RP.

Если ЭДС источникаи сопротивление будут неизменны, то значение будет постоянно. В этом случае падение напряжения на сопротивлении (т. е. разность потенциалов Uмежду точкой а и любой другой точкой, где будет находиться контакт с) может быть определено по формуле Uac—IRac, где Rac— сопротивление электрической цепи между точками.

Стрелка нуль-прибора в случае неравенства между термо-ЭДС термоэлектрического thermometer и разностью потенциалов на реохорде будет отклоняться, а в случае их равенства установится на нулевой отметке.

Если подсчитать падение напряжения в милливольтах на единицу длины реохорда и нанести соответствующие отметки на шкалу, расположенную вдоль реохорда (т. е. отградуировать ее в милливольтах (мВ) и соответственно в градусах с учетом градуировки термоэлектрического прибора), а показывающую стрелку прикрепить к контакту, то можно получить элементарную измерительную схему потенциометра.

Для правильной работы потенциометра необходимо обеспечить постоянство силы тока, проходящего через реохорд, которая должна составлять 2 мА. Контролируют и периодически устанавливают силу тока в потенциометре компенсационным методом с помощью нормального элемента реостата. Для этого термоэлектрический thermometer, периодически отключают от потенциометра с помощью переключателя вместо него к концам сопротивления (резистора) подключают нормальный элемент, ЭДС которого в течение продолжительного времени остается практически неизменной и при температуре 20° С равна 1,0195 В.

Если сопротивление резистора выбрано таким, что при прохождении по нему тока от батареи падение напряжения на нем равно ЭДС нормального элемента, то в цепи последнего тока не будет и стрелка нуль-приборастанет на нулевой отметке шкалы. В случае уменьшения с течением времени ЭДС батареи сила тока уменьшается и через нуль-прибор пойдет ток, так как падение напряжения на резисторе будет меньшим, чем ЭДС нормального элемента, а стрелка нуль-прибораотклонится от нуля.

Промышленность выпускает автоматические электронные потенциометры по ГОСТ 7164—78, в которых регулировка силы тока в измерительной схеме, а также измерения термо-ЭДС производятся автоматически.

Рассмотрим упрощенную принципиальную схему автоматического электронного потенциометра. В качестве нуль-прибора в этой схеме используется вибрационный преобразователь в блоке с трансформатором. Вибрационный преобразователь выполнен в виде однополюсного переключателя. Его сердечник (упругая железная пластина, закрепленная одним концом) находится в переменном магнитном поле, создаваемом обмоткой возбуждения, через которую проходит переменный ток напряжением 6,3 В, частотой 50 Гц. На это переменное магнитное поле действует также поле постоянного магнита.

Под влиянием переменного поля свободный конец сердечника намагничивается то как южный, то как северный полюс. Такая смена полярностей происходит с частотой переменного тока, в связи с чем свободный конец сердечника начинает вибрировать, притягиваясь то к северному, то к южному полюсу магнита. С такой же частотой плоский контактсердечника будет замыкаться попеременно с неподвижными контактами.

Термо-ЭДС термоэлектрического термометра компенсируется разностью потенциалов на реохорде (ток в цепи потенциометра предварительно устанавливают по нормальному элементу).

Ток дойдет до среднего вывода первичной обмотки трансформатора и потечет по верхней половине обмотки в случае, если замкнуты контакты, или по нижней, если замкнуты контакты. Такая смена направлений тока будет происходить с частотой переменного тока, питающего обмотку возбуждения вибрационного преобразователя, равной 50 Гц. Вследствие этого в магнитопроводе трансформатора будут создаваться магнитные потоки переменного направления, а во вторичной обмотке возникнет переменная ЭДС с частотой 50 Гц. Эта незначительная по значению переменная ЭДС усиливается в электронном усилителе, который состоит из усилителя напряжения и усилителя мощности.

Под влиянием вращающегося поля, которое образуется в асинхронном реверсивном двигателе от взаимодействия переменной ЭДС, подаваемой от выходов усилителя мощности, и переменного тока от сети, ротор двигателя будет вращаться в ту или другую сторону. Ротор двигателя кинематически связан с движком реохорда, пишущим пером круглой диаграммы и со стрелкой шкалы. Все три связи осуществлены таким образом, что движок реохорда передвигается в сторону восстановления равновесия в цепи термоэлектрического термометра, а стрелка и перо устанавливаются на одинаковых температурных отметках шкалы и диаграммы.