Измерение температуры

Измеряется в системе СИ в [^оК] (градус Кельвина).

Внесистемные единицы: [^оС] (Цельсия), [^оF] (Форенгейта), [^оR] (Рейнольдца). Т^оК = (t + 273, 16)^оC.

Область измерения температуры условно разбивается на две части: термометрия (до 600 ^оС) и пирометрию (свыше 600 ^оС). Поэтому и приборы носят название термометров и пирометров.

Различают следующие виды приборов:

– термометры расширения (-30 – +1000 ^оС)

– манометрические термометры (-200 – +700 ^оС)

– термометры сопротивления (-200–660 ^оС)

– термоэлектрические термометры (300 – 1800 ^оС)

– пирометры излучения (свыше 1000 ^оС).

Измерить температуру можно только путем сравнения степени нагретости двух тел, когда степень одного из них известна. Для этого используется какое-нибудь свойство тела, зависящее от температуры и легко поддающееся измерению.

Термометры расширения. Принцип действия основан на свойстве жидкостей и твердых тел изменять свой объем и размеры в зависимости от температуры.

Среди них различают: жидкостные (стеклянные) и механические.

У жидкостных по высоте столбика жидкости (в мм), помешенной в тонкую трубку (капилляр), судят о величине температуры. Приращение высоты столбика определяют уравнением

;

где V – объем жидкости в термобалоне при t₁; d – внутренний диаметр капиляра; a_ж, a_с – температурные коэффициенты объемного расширения жидкости и стекла; t₁, t₂ – начальная и конечная температуры нагревания.

Среди данных устройств имеются и электроконтактные. Но жидкостные термометры непрактичны из-за подверженности биению.

Механические термометры подразделяются на дилатометрические и биметаллические. Принцип действия основан на изменении линейных размеров (удлинения) твердых тел при изменении температуры. Линейные размеры тел определяются следующим уравнением:

,

где l₀ – первоначальная длина тела; β – средний температурный коэффициент линейного расширения материала; D t – изменение температуры.

Рис. 2.7. Диламетрический термометр: 1 – трубка, 2 – стержень, 3 – стрелка.

Дилатометрический термометр (рис. 2.7) представляет собой закрытую с одного конца трубку 1, выполненную из материала с высоким коэффициентом линейного расширения (медь, алюминий, латунь), в которую вставлен стержень 2 из материала с малым коэффициентом. При нагревании они удлиняются на различную величину, что приводит к перемещению рычага и далее стрелки прибора.

Рис. 2.8. Биметаллический термометр: 1 – стрелка, 2 – передаточный рычаг, 3 – пластинка с малым коэффициентом линейного расширения, 4 – пластинка с большим коэффициентом линейного расширения.

Биметаллический термометр (рис. 2.8) разновидность первого. В нем чувствительный элемент выполнен в виде пластинки или спирали из биметалла. Биметалл представляет собой материал, сваренный из двух слоев с различными коэффициентами линейного расширения. При нагреве биметаллического элемента происходит изгиб в сторону металла с меньшим коэффициентом, а при охлаждении наоборот. При изгибе происходит перемещение передаточного механизма, который воздействует на стрелку прибора.

Достоинства: простота конструкции и небольшие размеры. Недостатки: малая точность из-за «усталости» пружины.

Манометрические термометры. Принцип действия основан на изменении давления жидкости или газа в заполненном рабочем объеме в зависимости от температуры. Выполнен в виде упругого элемента 1, соединенного капиллярной трубкой 2 с термобаллоном 3 (заполняется: газами – азот, жидкостями – ртуть, паровоздушными смесями – ацетон, бензол, фреон). При увеличении температуры жидкость начинает испарятся – давление растет, что приводит к перемещению упругого элемента.

Рис. 2.9. Биметаллический термометр: 1 – термобаллон, 2 – соединительный капиляр, 3 – тяга, 4 – стрелка, 5 - циферблат.

Газовые термометры имеют линейную шкалу, у жидкостных шкала нелинейная. Для газовых приборов имеется следующая зависимость (основана на законе Шарля)

,

где p₀ – давление рабочего вещества при t₀; β – термический коэффициент расширения газа, равный 1/273, 16 °С; t₀, t – начальная и конечная температуры.

Для жидкостных:

,

где α – температурный коэффициент объемного расширения жидкости; m – коэффициент сжимаемости жидкости; D t – изменение температуры.

Достоинства: простота конструкции и надежность.

Недостатки: большие размеры, отсюда – инерционность.

Термометры сопротивления. Измерение температуры термометрами сопротивления основано на изменении электрического сопротивления проводника или полупроводника в зависимости от его температуры.

Электрическое сопротивление проводников и полупроводников представляет собой некоторую функцию его температуры . Вид этой функции зависит от природы материала и определяется экспериментально (путем градуировки термометра сопротивления). При увеличении температуры сопротивление проводников возрастает, а полупроводников – снижается. Измеряя сопротивление нагретого проводника, можно определить температуру среды, где он находится. В промышленных условиях наиболее широко применяются медные и платиновые термометры сопротивления ТСП и ТСМ Различают: проводниковые и полупроводниковые.

Наиболее распространены проводниковые.

По сравнению с манометрическими термометрами более высокая точность. Недостаток – необходимость постороннего источника тока, для измерения активного сопротивления.

Термоэлектрические преобразователи (термопары). В основу измерения положен термоэлектрический эффект, заключающийся в том, что в замкнутой цепи, состоящей из двух или нескольких разнородных проводников, возникает электрический ток, если хотя бы два места соединения (спая) проводников имеют разные температуры.

Спай с температурой t – рабочий спай. Спай с температурой t₀ – свободный (холодный) спай.

За счет диффузии электронов в металл с меньшим их количеством (например в В) металл А будет заряжаться положительно, а металл В отрицательно. В однородном проводнике электроны будут диффузировать из более нагретой части в менее нагретую часть (более нагретые заряжаться положительно, менее нагретые – отрицательно.

Суммарную термоэлектродвижущую силу (ТЭДС) замкнутой цепи преобразователя, спаи которого нагреты до температур t и t₀, можно выразить следующим уравнением

Е(tt₀) = e_АВ(t) – e_АВ(t₀)

где Е(tt₀) – суммарная ТЭДС преобразователя, e_АВ(t), e_АВ(t₀) – потенциалы, возникающие в спаях.

Т.к. потенциалы спаев зависят от температуры, то можно записать

Е(tt₀) =f(t) – f(t₀)

Поддерживая температуру одного из спаев постоянной, т.е., пологая, что t₀ = const, получим

Е(tt₀) =f(t) – const или Е(tt₀) =f(t)

На практике применяют следующие термопары:

– платинородиевые (ТПР) – (от 300 до 1300 ⁰С)

– хромель–алюминиевые (ТХА) – (от –50 до 1300 ⁰С) (д: стойкие к окислению и корозии)

– хромель–капелиевые (ТХК) – (от –50 ⁰С до 600 ⁰С) (д: развивает наибольшую ТЭДС)