Приборы для измерения температуры

Раздел 2. Средства измерений технологических параметров

Понятие о температуре. Температурные шкалы

Температура – физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия системы и являющаяся важнейшим и часто основным параметром технологических процессов.

Для измерения температуры были предложены различные условные температурные шкалы, из которых наибольшее распространение получила стоградусная температурная шкала Цельсия. По этой шкале за основные (реперные) точки, ограничивающие основной температурный интервал, были приняты точка плавления льда (0⁰С) и точка кипения воды (100⁰С) при нормальном атмосферном давлении. Единица температуры, равная одной сотой части основного температурного интервала, получила название градус.

Условные температурные шкалы строятся на произволь­ном допущении линейной зависимости между термометри­ческими (физическими) свойствами тела и температурой. В действительности нет ни одного термометрического свой­ства, которое бы в полной мере могло удовлетворить этим требованиям во всем интервале измеряемых температур.

Независимой от свойств термометрического вещества является основанная на втором законе термодинамики тер­модинамическая температурная шкала, предложенная в се­редине прошлого века Кельвином.

Единицей термодинамической температуры является кельвин (К) вместо прежнего наименования градус Кель­вина (°К).

Между температурой Т, выраженной в Кельвинах, и температурой t, выраженной в градусах Цельсия, уста­новлено соотношение

t = T — T₀,

где То = 273, 16 К (температура тройной точки воды 273, 16 К соответствует, как указывалось выше, 0, 01 °С, следователь­но, 273, 15 К — температурный промежуток, на который смещено начало отсчета).

Приборы для измерения температуры

Существуют контактные и бесконтактные методы изме­рения температур. В первом случае необходимо обеспечить надежный тепловой контакт чувствительного элемента при­бора с объектом измерения, при этом верхний предел изме­рения температуры ограничен жаропрочностью и химичес­кой стойкостью применяемых чувствительных элементов. При невозможности осуществить падежный тепловой кон­такт чувствительного элемента с объектом измерения при­меняют бесконтактные методы измерения.

Средство измерений (совокупность средств измерений), предназначенное для контактного измерения температуры веществ и преобразования его в сигнал температурной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем, автоматической выработки, передачи и использования в автоматических системах управления, называется термометром. По принципу действия термометры могут быть разделены на следующие группы:

Действие термометров расширения основано на тепловом расширении (изменении объема) термометрического вещества (жидкостные или газовые) или линейных размеров твердых тел (дилатометрические и биметаллические) в зависимости от температуры. Предел измерения такими термометрами составляет от -190 до +600⁰С.

Термометры расширения жидкостные стеклянные (рис. 1) применяют для измерения температуры от —100 до +650 °С.

Рис. 1

Принцип действия термометров расширения основан на объемном расширении жидкости, находящейся внутри стеклянного расширителя, под действием окружающей темпера­туры. Внутри корпуса 1 находится температурная шкала 2. В ниж­ней части термометра находится расширитель 4, который соединен с капилляром 3 (трубкой с малым внутренним диаметром). Верхняя часть капилляра запаяна. При нагревании расширителя жидкость, находящаяся в нем, увеличивается в объеме:

V_t=V₀(1+γ ^t)

где V_t — объем жидкости при нагревании на t °C, V_o - объем жидкости при 0 °С;

γ -коэффициент объемного расширения, t — разность тем­пературы, °С.

Поднимаясь вверх по капилляру, жидкость устанавливается на высоте, пропорциональной температуре нагрева. Отсчет ве­дется по шкале в градусах Цельсия. В качестве рабочей жидкости в стеклянных термометрах используют ртуть, спирт, керосин или толуол. Ртуть является лучшей рабочей жидкостью, так как она не обладает свойством смачиваемости, поэтому в стеклянном капилляре не образует вогнутого мениска, что облегчит снятие показаний с термометра.

В зависимости от формы нижней части термометры подразделяют на прямые — типа А и угловые — типа Б с углом 90 или 135 °С. Для предохранения стеклянной оболочки термометра от поврежде­ний и для удобства монтажа приборы помещают в защитную метал­лическую оправу.

Стеклянные термометры выпускают двух видов: технические и лабораторные. Погрешность технических термометров не превы­шает одного деления шкалы, погрешность лабораторных — в за­висимости от пределов измерений от ±0, 2 до ±5 СС.

Ввиду целого ряда недостатков стеклянных термометров — сравнительно большой тепловой инерционности, отсутствия дистан­ционной передачи и автоматической записи показаний — эти при­боры используют в лабораторных исследованиях и местном техноло­гическом контроле.

Цена деления шкалы прибора зависит от внутреннего диаметра капилляра и типа рабочей жидкости. Наименьшая цена деления шкалы лабораторного термометра типа ТЛ 0, 01 °С.

Действие дилатометрических и биметаллических термометров основано на различии температурных коэффициентов линейного расширения твердых тел.

В целом металлы и их сплавы обладают высокими коэффи­циентами линейного расширения. Для латуни он равен 20, 9 *10^-6 К^-1, а для никеля - 16, 3 *10^-6 К^-1. Однако имеются сплавы и материалы с низким температурным коэффициентом линейного расширения. Так, для сплава инвар (64 % Fe и 36 % Ni) α = 0, 910^-6 К^-1, для кварца α = 0, 5510^-6 К^-1 и фарфора α = 4, 010^-6 К^-1.

В дилатометрическом термометре (рис. 2) чувствительным элементом является латунная трубка 3 (активный элемент), вну­три которой находится инварный (или кварцевый) стержень 2 (пассивный элемент). Инварный стержень применяется для рабо­чих температур до 150 °С, а кварцевое стекло — для температур более 150 °С. Один конец трубки закрыт пробкой 1, второй — ввин­чен в корпус 4, где находятся передаточный механизм, стрелка и шкала.

Рисунок 2. Дилатометрический показывающий термометр

С помощью ниппеля 5 термометр закрепляется на стенке или крышке устройства, в котором измеряется температура. При повышении температуры длина трубки 3 увеличивается зна­чительно больше, чем длина стержня 2, вследствие чего он пере­мещается внутри трубки, увлекая за собой опирающийся на него толкатель 6. С помощью передаточных рычагов 7, 8 и 9 и пружины 10 толкатель 6 воздействует на стрелку 11, которая, перемещаясь по шкале 12, занимает положение, соответствующее измеряемойтемпературе. Чувствительность дилатометрического термометра определяется его длиной, т. е. для повышения чувствительности необходимо увеличивать длину термометра.

Показывающие дилатометрические термометры широко приме­няют за рубежом, их производство налаживается и в нашей стране, где их пока еще используют в качестве первичных преобразователей температуры в системах автоматического контроля и ре­гулирования температуры. Пределы изме­ряемых температур лежат в диапазо­не

-60...+1000° С, разбитом для каждого прибора на поддиапазоны. Например, тер­мометр марки ТуДЭ имеет 12 поддиапазо­нов, его погрешность ±1, 5 °С.

К преимуществам термометров этого типа можно отнести низкую стоимость, простоту устройств и высокую надежность, к недо­статкам — относительно большую тепловую инерцию.

Термочувствительным элементом биметал­лического термометра является биметаллическая пластина, спираль или диск. Биме­талл получают сваркой полос двух метал­лов с разными коэффициентами линейного расширения с последующей прокаткой до нужной толщины.

Принцип действия биметаллического термометра основан на использовании разности коэффициентов линейного расширения. При изменении температуры термочувствительного элемента его свободный конец прогибается или поворачивается на определен­ный угол в сторону металла с меньшим коэффициентом линейного расширения.

Промышленность выпускает несколько типов биметаллических термометров с разной формой термочувствительного элемента. На их базе разработано несколько видов малогабаритных показы показы­вающих приборов и сигнализаторов.

Рис. 3 Конструкция биметаллического термометра

Схема устройства наиболее простого биметаллического термо­метра (преобразователя) показана на рис. 3. На пластмассовом основании 5 закреплены две пластины: обыкновенная и биметал­лическая 4. На биметаллической пластине закреплен контакт 3, а на обык­новенной установлен задающий винт 2, предназначенный для из­менения пределов срабатывания. Все устройство помещено в за­щитный кожух 1. При изменении температуры окружающей среды биметаллическая пластина 4 прогибается и замыкает контакты. Диапазон измеряемых температур с помощью биметаллических термометров +50... +400 °С. Погрешность термометров лежит в пределах ±4 %. Достоинствами термометра являются простота устройства, низкая стоимость и значительная разрывная мощ­ность контактного устройства.

К недостаткам относятся большая инерционность и гистерезисный характер зависимости положения контактов от температуры, т. е. несовпадение температуры замыка­ния и размыкания контактов. Биметаллические термометры находят применение в установ­ках пылеулавливания и очистки технологических и вентиляцион­ных газов в системах регулирования лабораторных термических печей, а также в системах защиты электродвигателей от перегру­зок.

Манометрические термометры (рис.4) используют для измерения температур жидких и газовых сред в диапазоне от -100 до +600 °С при рабочих давлениях измеряемой среды до 6, 4 МПа (64 кгс/см2) без защитной гильзы термобаллона и до 25 МПа (250 кгс/см2) с защитной гильзой.

Принцип действия приборов основан на использовании зависи­мости изменения давления рабочей жидкости, насыщенного пара или газа при постоянном объеме от температуры объекта.

Обязательным условием достоверности показаний манометриче­ских термометров является полное погружение термо­баллона в измеряемую среду.

В зависимости от наполнителя, заполняющего всю термосистему (термобаллон, капилляр и чувстви-тельный элемент), манометри-ческие термометры делятся на га­зовые, парожидкостные и жид­костные.

Газовые приборы запол­няют инертным газом - азотом или аргоном, и парожидкостные- низкокипящими жидко­стями (ацетон, фреон), пары ко­торых при измеряемой темпера­туре частично заполняют термо­баллон, жидкостные - кремнийорганической жидкостью.

Шкала манометрических газо­вых и жидкостных термометров равномерная; у парожидкостных термометров шкала неравномер­ная - сжатия в первой трети шкалы.

Манометрический термометр ТПГ-СК (рис. 4) имеет герметично соединенные между собой термобаллон 1, капилляр 2 и мано­метрическую трубку 4 измерительного механизма.

Термобаллон как датчик устанавливают на контролируемом объекте, а его изме­рительный механизм (прибор) можно устанавливать в щитах и пуль­тах. В зависимости от типов прибора длина капилляра составляет от 16 до 25 м. При изменении температуры контролируемого объек­та изменяется объем рабочего вещества в замкнутом контуре, что приводит к изменению давления в этой системе. Давление преобра­зуется манометрической трубкой 4 в перемещение указательной стрелки 8 прибора.

По шкале прибора (по указательной стрелке) определяют тем­пературу объекта. Для защиты капилляра от механических повреж­дений в приборе предусмотрена специальная оплетка из стальной или медной ленты.

Термобаллон изготовляют из латуни или стали, манометри­ческую трубку - из стали или меди, внутренний диаметр которой 0, 2—0, 5 мм. Данные приборы имеют запаздывание показаний в пределах 40—80 с.

Основная погрешность газовых приборов составляет ±1, 5 %, паровых ±2, 5%. К наиболее распространенным приборам данного типа относятся электроконтактные термометры ЭКТ и ТПГ-СК, которые снабжены электроконтактными устройствами для сигнализации или автоматического управления по минималь­ному и максимальному значению температуры.

Преимущества данных приборов - малая стоимость, простота монтажа; недостатки - инерционность, сложность ремонта тер­мосистемы, ограниченное рабочее давление измеряемой среды до 6, 4 МПа (64 кгс/см2).

Для автоматического контроля и управления температурными режимами технологических процессов и дистанционной передачи показаний в качестве датчиков применяют термометры сопротивле­ния и термопары. Такие датчики не являются самостоятельными приборами, а работают только со специальной группой измеритель­ных приборов.

Термопара (термоэлектрический термометр) представляет собой спай двух разнородных металлических проводников (термоэлектродов), которые предназначены для измерения температуры рабочих объектов. Конец термопары, помещаемый в объект изме­рения температуры, называется рабочим или «горячим» спаем, свободные или «холодные» концы термопары соединены с измери­тельным прибором. Термопарой осуществляется преобразование тепловой энергии в электрическую.

Принцип работы термопары заключается в том, что при изме­нении температуры «горячего» спая на свободных («холодных») концах термопары изменяется термоэлектродвижущая сила (термо-э. д с.) постоянного тока.

Согласно явлению Зеебека, в замкнутой электрической цепи, образованной двумя разнородными проводниками, возникает термо-э.д.с, пропорциональная разности температур спаев. Величина термо-э.д.с. зависит только от температуры «горячего» и «холод­ного» спаев и материалов, образующих термопару.

Образование термо- э.д.с. в термопаре объясняется тем, что при нагревании электроны на «горячем» спае приобретают более высокие скорости, чем на «холодном», в результате возникает поток электронов от «горячего» конца к «холодному». На «холод­ном» конце накапливается отрицательный заряд, на «горячем» — положительный. Разность этих потенциалов определяет термо-э. д. с. термопары.

На рис. 5 изображена цепь, состоя­щая из двух разнородных проводников А и В, нижние концы которых спаяны меж­ду собой. Нижние и верхние концы термо­пары находятся при различной температуре.

Рис. 5 Цепь термопары

Если температура U «горячего» спая выше температуры «холодного» спая, то ток потечет в направлении, указанном на рис. 3, а термо-э. д. с, развиваемая термопарой, определяется разностью потенциалов спаев: ЕАВ=ЕАВ(t1) - ЕАВ(t2). Для ряда пар проводников, используемых для термоэлектри­ческих термометров, существует определенная зависимость термо-э. д. с. (ТЭДС) от разности температур «горячего» и «холодного» спаев, а сама ТЭДС измеряется милливольтметром или потенцио­метром постоянного тока, включенным в разрыв «холодного» спая.

Для технических измерений применяют термопары: хромель— копель (ТХК); хромель — алюмель (ТХА), платинородий (10% ро­дия) — платина (ТПП). Реже используют термопары медь — ко­пель, медь — константан, железо — копель.

Обозначение ХА, ХК, ПП называется градуировкой термопары; положительным электродом является электрод, материал которого в градуировке стоит первым. Термопары данных градуировок пере­крывают диапазон измерения температур от —50 до +1800 °С. По устойчивости к механическим воздействиям термопары подразделя­ют на вибротряскоустойчивые, уда­ропрочные и обыкновенные; по инер­ционности — малоинерционные (0— 1, 5 мин), среднеинерционные (1, 5— 2, 5 мин), высокоинерционные (2, 5— 8 мин).

В качестве вторичных приборов в термометрических термо­метрах используют пирометрические милливольтметры (гальвано­метры) и компенсационные приборы (потенциометры).

Пирометрические милливольтметры — приборы магнитоэлек­трической системы. Их работа основана на принципе взаимодей­ствия проводника, по которому протекает электрический ток, с магнитным полем постоянного магнита.

Милливольтметр (рис. 6) состоит из постоянного магнита 2, на концах которого

Рис. 6 Схема милливольтметра

расположены полюсные наконечники 3 из мягкого железа, и неподвижного стального магнитопровода 5. Наличие цилиндрического магнитопровода в междуполюсном про­странстве магнита уменьшает магнитное сопротивление, создает равномерный зазор и формирует радиальный магнитный поток. В кольцевом воздушном зазоре, между полюсными наконечниками и магнитопроводом размещается прямоугольная рамка 4, состоящая из большого числа витков изолированного модною провода. С обеих сторон по центру рамки установлены полуоси, на которых

рамка может поворачиваться в опорных подшипниках, изготов­ленных из рубина или агата. Ось вращения рамки совпадает с осью магнитопровода. Рамка поворачивается вместе с легкой стрелкой 1. о дин конец которой перемещается вдоль шкалы, а на второй расположены два усика с грузами 6. Перемещением грузов по винтовой нарезке добиваются уравновешивания подвижной системы, т. е. совпаде­ния центра тяжести с осью вращения. Для создания противодей­ствующего момента и подвода тока к подвижной рамке служат две спиральные пружины 7, изготовленные из фосфористой бронзы. Добавочный резистор R_доб, выполненный из манганиновой проволоки, используется для подгонки диапазона шкалы и ограничения влияния изменений температуры окружающей среды на по­казания прибора (температурный коэффициент сопротивления манганина — низкий). Подгонка внешнего сопротивления осу­ществляется резистором R_вн, значение его подбирается по сопро­тивлению внешней цепи (сопротивление резистора R_вн внешней цепи должно соответствовать значению, указанному на шкале прибора).

При измерении температуры ток от термопары поступает в рамку через спиральные пружины. Протекающий по рамке ток взаимодей­ствует с магнитным полем постоянного магнита, вследствие чего рамка поворачивается под действием момента. Поворот рамки прекратится при уравновешивании двух моментов. Переменной величиной практически являет­ся сопротивление подсоединительных проводов, т. е. их длина оказывает влияние на показания прибора.

Промышленность выпускает показывающие, регистрирующие и регулирующие милливольтметры. Шкала градуи­руется либо в градусах температуры, либо в милливоль­тах, применяется и двойная градуировка шкалы.

Поверка милливольтметров сводится к определению соот­ветствия градуировки и клас­са точности приведенным зна­чениям. Она проводится с помощью лабораторных приборов более высокого класса точности. На вход обоих приборов от источника регулируемого напряжения одновременно подается одинаковый сигнал. Результаты измерений сравнивают при пря­мом и обратном ходе (увеличение и уменьшение напряжений) и определяют погрешности поверяемого милливольтметра.

Компенсационными приборами (потенциометрами) называют приборы, которые используются для измерения температуры компенсационным (потенциометрическим) методом. Этот метод основан на уравновешивании (компенсации) измеряемой термо- Э ДС, равной по значению, но обратной по знаку ЭДС вспомога­тельного источника тока.

Потенциометры делят на две группы: неавтоматические и ав­томатические.

Уравновешивающее напряжение в схеме неавтоматического потенциометра (рис. 7)

Рис. 7 Схема потенциометра

создается с помощью ЭДС источника питания 2, падение напряжения от которого на измерительном ре­зисторе Rp уравнивается термо-ЭДС термопары 4. Измерительный резистор имеет линейное сопроти­вление и называется реохордом. Разность потенциалов между точкой А и любой промежуточной точкой D пропорцио­нальна сопротивлению RAD. Передвиже­нием по реохорду скользящего контак­та 3 можно изменять сопротивления RAD). Термопара, термо-ЭДС которой необхо­димо измерить, подключается одним кон­цом к точке D, а вторым - через нуль-гальванометр 1 к

точке А. Нуль-гальва­нометр выполняет функции индикатора наличия тока в цепи термопары и пред­ставляет собой чувствительный милли­вольтметр, имеющий двустороннюю шкалу.Так как значение термо-ЭДС прямо пропорционально сопро­тивлению участка AD реохорда R_р, то шкалу прибора, относитель­но которой перемещается движок 3, можно отградуировать в еди­ницах напряжения электрического тока либо температуры.

По сравнению с милливольтметром потенциометр обладает следующими двумя преимуществами: отсутствует электрический ток в цепи термометра в момент измерения и исключена операция измерения тока.

Автоматические потенциометры предназначены для измерения, записи, сигнализации и регулирования (при наличии регулирую­щего устройства) температуры, изменение которой может быть преобразовано в изменение напряжения постоянного тока.

Наибольшее распространение получили автоматические показывающие и регистрирующие по­тенциометры типа КСП4 с ленточной диаграммой и типа КСПЗ с круглой диаграммой.

Электронные автоматические потенциометры типа ЭПД с записью на дисковой диаграмме предназначены для работы с термо­парами стандартных градуировок (ХА, ХК и ПП) и телескопом радиационного пирометра типа РПС. Градуировка шкалы выпол­нена в градусах температуры: запись - непрерывная чернилами на дисковой диаграмме диаметром 300 мм, время одного оборота диаграммы 24 ч, время прохождении всей шкалы пером и стрелкой не более 5 с, установка рабочего тока - полуавтоматическая.

Электронные потенциометры типа КСП4 производят запись на ленточной диаграмме. Возможно изменение скорости записи (восемь ступеней) от 60 до 1414 мм/ч. Приборы выпускают для записи по 2, 3, 6, 12 и 24 каналам, в них предусмотрены сигнализа­ция об окончании диаграммной бумаги и автоматическая оста­новка.

Запись проводится в прямоугольных координатах на диа­граммной ленте шириной 275 мм: в одноканальных приборах, непрерывно чернилами, а в многоканальных — циклично печатающим устройством. Время прохождения регистрирующей кареткой всей шкалы может изменяться в пределах 1... 8 с.

Потенциометры типа КСП4 предназначены для измерения тем­пературы в комплекте с термопарами стандартных градуировок ХА, ХК и ПП и телескопом радиационного пирометра. Класс точности автоматических потенциометров — 0, 5.

Термометры сопротив­ления применяются как датчики для измерения температуры в системах, где требуется дистанционная передача показаний. По ма­териалу чувствительного элемента их подразделяют на термометры сопро­тивления платиновые — ТСП и тер­мометры сопротивления медные — ТСМ.

Конструктивно термометр сопро­тивления (рис. 8) выполняется на­моткой платиновой или медной изо­лированной проволоки 2 на изоля­ционный каркас 1.

При изменении температуры электрическое сопротивление термометров определяют градуировочными данными и приближенной формулой: R_t= R₀(1+α _t), где R_t – сопротивление при нагревании термометра на t⁰C, R₀ – сопротивление термометра при 0⁰С, α – температурный коэффициент (α _меди = 4, 3·10^-3).

Термометры сопротивления по точности подразделяют на три класса; по инерционности – малоинерционные (до 9 с), среднеинерционные (10-80 с), высокоинерционные (до 4 мин.)

Термометры сопротивления предназначены для измерения температур от -200⁰ до +650⁰ С, монтажная длина их до 2 м. Применение термометров сопротивления ограничено сравнительно низким диапазоном измерения и большими размерами каркаса чувствительного элемента, не позволяющими измерять температуру в точке.

В качестве вторичных приборов, работающих с термометрами сопротивления, в промышленности нашли применение логометры и уравновешивающие мосты (ручные и автоматические).

Логометры являются приборами магнитоэлектрической системы, предназначенными для измерения соотношения двух токов — в цепях термометра и постоянного резистора.

Подвижная система логометра (рис. 9) состоит из двух скре­щенных под углом 15—20° и жестко связанных между собой ра­мок R_p1 и R_p2. Они изготовлены из тонкой изолированной медной проволоки и могут поворачиваться в двух керновых опорах.

Рис. 9 Схема электрического логометра

Магнитная система логометра подобна магнитной системе милли­вольтметра и отличается от нее только формой воздушного зазора между магнитопроводом 1 и полюсными наконечниками 2. В логометрах воздушный зазор уменьшается от центра полюсных наконечников к их краям, благодаря чему магнитная индукция увеличивается от центра к краям приблизительно по квадратичному закону. Подвод тока к рамкам осуществляется через спиральные пружины с малым противодействующим моментом.

С помощью этих пружин обеспечивается возврат рамок и жестко связанной с ним стрелки 3 в исходное положение при отключении источника G. Рамки получают питание от одного источника: в цепь первой рамки включен постоянный резистор R1, а в цепь второй рамки — постоянный резистор R2 и переменное сопротивление термометра сопротивления R_t. Постоянные резисторы R1 и R2 изготовляют из манганина. Так как вращающие моменты М₁ и М₂ рамок на­правлены навстречу друг другу, то при их равенстве подвижная система находится в покое.

Допустим, что в начальном состоянии R_p1 + R₁+R_t=R _р2+ R _2, следовательно, токи рамок равны I₁=I₂) и под­вижная система занимает положение, симметричное относительно оси магнитной системы. При повышении температуры контроли­руемой среды сопротивление термометра R_t возрастает, что при­водит к уменьшению тока I₂ и вращающего момента М₂ второй рамки. Подвижная система под действием большего момента начнет поворачиваться по часовой стрелке, причем вторая рамка будет переходить в зону большей, а первая рамка — в зону мень­шей магнитной индукции. В определенном положении подвижной системы вновь наступит равновесие.

Таким образом, угол поворота подвижной системы можно рассматривать как функцию сопротивления термометра.

В настоящее время промышленность выпускает только пока­зывающие логометры марок Л-64, Л-64И, Л-64-02 с градуировками Гр. 21, Гр. 22, Гр. 23, внешним сопротивлением 5 и 15 Ом и клас­сом точности 1, 5.

Уравновешенные мосты выпускают двух типов: лабораторные (с ручной компенсацией) и технические (автоматические).

Рассмотрим принципиальную схему уравновешенного моста с ручной компенсацией (рис. 10).

Рис. 10 Схема уравновешивающего моста с ручной компенсацией

Уравновешенный мост состоит из трех резисторов R1, R2 и R3, реохорда Rp, термометра со­противления Rt, источника питания G, нуль-гальванометра РА включенного в диагональ моста АБ, и уравновешивающихся ка­тушек Rл. Работа прибора заключается в следующем. Если между значениями сопротивлений плеч достигается соотношение (R1 +r1 )(R2 +r2)=R3/Rt, то в диагонали моста АБ ток отсутствует.

При повышении температуры сопротивление R_t изменится и на­рушится равновесие моста.В диагонали моста появится ток, на­правление, которого зависит от изменения температуры. Чтобы измерить температуру, необходимо систему привести в равнове­сие. Для этого вручную изменяют соотношение сопротивлений реохорда r₁ и r₂ до тех пор, пока стрелка нуль-гальванометра не установится на пулевую отметку. По положению движка реохорда определяют температуру среды, в которую помещен термометр сопротивления. В рассмотренном приборе напряжение источника питания не оказывает влияния на показания прибора. Однако сильное снижение напряжения приводит к уменьшению чувстви­тельности нуль-гальванометра, а чрезвычайно высокие напряже­ния вызовут дополнительный нагрев чувствительного элемента.

Электронные автоматические мосты предназначены для не­прерывного измерения, записи и регулирования температуры в комплекте с термометрами сопротивления стандартных граду­ировок. При наличии элемента дистанционной передачи вместо регулирующих элементов некоторые модификации приборов мо­гут осуществлять передачу на дублирующий прибор.

Поверка автоматических мостов и логометров осуществляется с помощью образцового магазина резисторов с ценой деления 0, 01 Ом. Вместо термометра сопротивления на вход прибора под­ключается резистор из магазина. Согласно градуировочной ха­рактеристике каждому значению шкалы прибора соответствует определенное сопротивление. Измеряя сопротивление резистора из магазина, стрелку прибора точно устанавливают на цифровой отметке шкалы. Разность между стандартным значением и со­противлением образцового резистора из магазина определяет погрешность прибора.

Средство измерений (совокупность средств измерений), предназначенное для бесконтактного измерения температуры веществ по их тепловому излучению и преобразования её в сигнал температурной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем, автоматической выработки, передачи и использования в автоматических системах управления, называется пирометром.

Пирометры делятся по принципу действия на оптические и фотоэлектрические, полного (суммарного) поглощения, спектрального отношения.

К оптическим пирометрам относятся приборы ОППИР и ФЭП-4, которые являются измерителями одноцветного монохроматического излучения.

Принцип действия оптического пирометра ОППИР основан на сравнении через светофильтр яркости нагретого объекта и яркости раскаленной нити фотометрической лампы накаливания. Свето­фильтр пропускает излучения определенной длины волны. Прибор ОППИР позволяет измерять температуру от 800 до 6000 °С. Основ­ная погрешность измерения 4—8 %.

Принцип действия фотоэлектрического пирометра ФЭП-4 (рис. 11) заключается в том, что излучение от объекта измерения 12 вместе с излучением от эталонной лампы 4 в противофазе попадает на фотоэлемент 7. Разность этих световых потоков усиливается усили­телем 8 и подается на выходной каскад 9, нагрузкой которого явля­ется эталонная лампа накаливания 4, последовательно с которой установлено калиброванное сопротивление 10. Падение напряже­ния на калиброванном сопротивлении измеряется электронным потенциометром 11, шкала которого отградуирована в единицах измерения температуры.

Пирометр выпускают на пределы измерения температуры от 500 до 4000 °С. Основная погрешность не превышает ±1 % при измерении температуры не выше 2000 °С и 1, 5 % — при температуре свыше 2000 ⁰С.

Радиационный пирометр РАПИР является измерителем полного излучения и предназначен для измерения температур в диапазоне 100—2500 °С.

Основным элементом прибора является телескоп ТЭРА-50 (рис. 12) с термобатареей, преобразующей тепловое излу­чение тела в термо-э. д. с, которая измеряется вторичным прибором.

В зависимости от диапазона измеряемой температуры выпускается четыре типа телескопов ТЭРА-50. Основная погрешность измере­ния составляет от 8 до 30 %.

Чувствительным элементом телескопа ТЭРА-50 является термо­батарея, состоящая из десяти соединенных последовательно тер­мопар типа хромель — алюмель. При таком соединении результирующая термо-ЭДС батареи равна сумме термо-ЭДС, составляющих её элементов, что значительно повышает чувствительность прибора.

Принцип действия оптического пирометра с «исчезающей» нитью (рис. 13 а) основан на сравнении яркостей объекта измерения и нити фотометрической лампы накаливания. Пирометр состоит из передвижного объектива 1 с линзой, фотометрической лампы накаливания 4, яркость нити которой регулируется реостатом. Для питания лампы используется батарея. Оператор-пирометрист, смотрящий в окуляр 7, должен направить телескоп пирометра таким образом, чтобы видеть нить фотометрической лампы на фоне раскаленного тела, температуру которого необходимо измерить.

Рис. 13

Передвижением окуляра 7 и объектива 1 он добивается получения изображения раскаленного тела и нити лампы в одной плоскости. Перемещением движка реостата оператор изменяет силу тока, проходящего через лампу и добивается уравнения яркостей нити и раскаленного тела. Если яркость нити меньше яркости тела (рис. 13 б), то нить на фоне тела выглядит черной полоской. При большей температуре нити она будет выглядеть как светлая дуга на более темном фоне (рис. 13 в). При равенстве яркостей нити и тела последняя как бы «исчезает» из поля зрения оператора (рис. 13 г), что свидетельствует о равенстве яркостных температур объекта измерения и нити лампы. В этот момент и производится отсчет измеряемой температуры по милливольтметру, который заранее проградуирован в градусах Цельсия. Сравнение спектральных яркостей объекта измерения и нити лампы 4 осуществляются обычно при длине волны равной 0, 65 мкм, для чего перед окуляром установлен красный светофильтр 6. Вы­бор красного светофильтра обусловлен тем, что глаз человека вос­принимает через этот фильтр только часть спектра его пропускания, приближающуюся к монохроматическому лучу. Кроме того, применение красного светофильтра позволяет снизить нижний предел измерения пирометра. Диафрагмы (входная 3 и выходная 5) ограничивают входной и выходной углы пирометра, оптималь­ные значения которых позволяют обеспечить независимость пока­заний прибора от изменения расстояния между объектом измере­ния и объективом.