Контактные методы измерения температуры

Из всех существующих промышленных методов измерения температуры наибольшее распространение в металлургии и в прокатном производстве в частности наибольшее распространение получили следующие контактные методы

1. Дилатометрический метод. Принцип действия дилатометрических и биметалли­ческих термометров основан на изменении линейных размеров твердых тел в зависимости от изменения их температуры.

Так, если при 0° С длина тела , то с повышением температуры до t°C длина тела изменится и станет равной , где β— коэффициент линейного расширения для дан­ного материала.

Схема устройства дилатометрич. термометра показана на рис 1, а. Основные части термометра: сталь­ная или медная трубка, находящаяся в среде, темпе­ратура которой измеряется, и стержень, один конец ко­торого приварен ко дну трубки, а другой шарнирно сое­динен с показывающей стрелкой термометра. Трубку дилатометрич. термометра обычно изготовляют из материала, коэффициент линейного расширения кото­рого значительно превышает коэффициент линейного расширения материала стержня. При изготовлении дилатометрических и биметаллических термометров используется следующие материалы: алюминий, латунь, сталь никелевая, красная медь.

Рис. 1. Схема устройства дилатометри­ческого (а) и биметаллического кон­тактного термометра (б):

1 — трубка; 2 — стержень; 3 — биметал­лическая пластина; 4— контакт; 5-—сиг­нальная лампа; 6 —источник питания

Принцип действия контактного биметаллического термометра ясен из схемы, приведенной на рис. 1 ,б. По мере увеличения температуры биметаллическая пластина термометра, которая может быть изготовлена из меди или из стали и инвара, изгибается. При определенной температу­ре происходит размыка­ние контакта. Сигнальная лампа гаснет, сигнализи­руя о достижении задан­ной температуры.

Дилатометрические и биметаллические термо­метры обычно исп-­ют в виде температурных реле, их применяют для сигнализации предельных температур, а также в схемах автоматических регуляторов температуры (напр., растворов в травильных ваннах и тех­нологич. смазки). Биметаллические тер­мометры часто использу­ют как регуляторы тем­пературы в различных из­мерительных приборах.

2. Термометры сопротивления

Принцип действия термометров сопротивления осно­ван на св-ве металлов изменять свое электросопро­тивление при изменении температуры. Зная зависимость сопротивления проводника от тем­пературы и измеряя это сопротивление каким-либо при­бором, можно измерять температуру среды, в которую помещен этот проводник. Термометры сопротивления исп-ют для измер-я т-ры воды, пара и га­за в нагревательных и термических печах прокатных цехов, а также т-ры масла в циркуляционных системах прокатных станов. Для изготовления термометров сопротивления в ка­ч-ве чувствит. элементов обычно при­меняется медь и платина и в меньшей степени железо и никель. Это обусловлено тем, что к материалу провод­ника предъявляются след. треб-я: 1) химическая инертность; 2) значительный температурный коэфф-т элек­тросопротивления; 3) зависимость коэфф-та электросопротивления должна быть по возмож-ти линейной; 4) возмож-ть воспроизводить материал с эталон­ными свойствами в больших количествах, чтобы обеспе­чить взаимозаменяемость чувствит. элемента тер­мометра. Сопротивление материала Rt при температуре t вы­ражается формулой Rt = R₀ (1 + αt), где α — температ. коэфф-т электросопротив­ления; R₀ — электросопротивление при t=0°С. У металлов α = 0,004-0,006 1/град.

В наст. время для измерения т-тур в раз­л. областях промышленности все большее распро­странение получают полупроводниковые термометры со­противления (термисторы). Преим-во термисторов перед термометрами сопротивления, изготовленными из металлических проволок, заключается в очень высокой их чувствит-ти к температурным изменениям. В отличие от металлов температурный коэффициент у термисторов отрицатель­ный, таким образом, значение Rt с повышением темпе­ратуры уменьшается. Др. достоинство термисторов состоит в высок. абсолютном значении сопротивления чувствительного элемента, что дает возмож-ть пренебрегать сопротив­лением подводящих проводов. Материалы, исполь­зуемые для изготовления термисторов, различны: смеси окислов или сульфидов различных метал­лов или редкоземельных элементов. Однако термисторы обладают сравнительно невысо­кой стабильностью их градуировочных характеристик, что часто ограничивает точность измерения темпера­туры и является их недостатком.

3. Термоэлектрические пирометры

Термоэлектрический пирометр - термопа­ра с подключенным к ней измерительным прибором. С помощью термоэлектрических пирометров измеряют температуры οт 100 до 1300° С. Большие достоинства термоэлектрических пирометров: высокая степень точности, возможность централизации контроля температур с автоматической записью, а также возмож­ность градуировки шкалы измерительного прибора на любой температурный интервал в пределах допустимых температур. Термоэлектрические пир-ры находят широкое примен-е при измерении т-ры разл. зон нагревательных и термических печей прокатных цехов, а также при определении температуры металла и техно­логического инструмента как в промышленных условиях, так и при лабораторных исследованиях.

Данный метод явл-ся наилучшим и наиболее удобным из существующих методов измерения температуры, т.к. позволяет с достаточной точностью определять и регулировать измеряемую температуру.

Под термопарой принято понимать два разнородных проводника (термоэлектрода), контактирующих между собой, по крайней мере, в двух точках с температурами t₁ и t₂, причем t₁≠t₂. Термопара является несложным пре­образователей температуры в электрическую величи­ну — разность потенциалов. Место контактирования термоэлектродов, помещае­мое в среду с измеряемой т-рой t₂, получило наз­вание рабочего конца или «горячего спая» термопары. Др. спай термопары, т-ра которого поддер­живается постоянной tι, называют ее свободным концом или «холодным спаем» термопары. Если в термопаре из термоэлектродов а и b одно из мест их контак­тирования постоянно поддерживать при тем­пературе t₁, то т. э. д. с. термопары бу­дет однозначной функ­цией только темпера­туры t. Следовательно, проградуировав дан­ную термопару, т. е. определив зависимость ее т. э. д. с. от температуры t одного из мест контак­тирования термоэлектродов при сохранении постоянст­ва температуры t₁ второго места контактирования, мож­но по измеренной затем величине т. э. д. с. найти значение температуры t.

Для измерения т. э.д. с., развиваемой термопа­рой, в ее цепь включают измерительный прибор между свободными концами термопары (рис. 1, а) или в раз­рыв между частями одного из термоэлектродов (рис. 1, б). В обоих случаях в цепь термопары вводят третий проводник, по своим физическим свойствам (в общем случае) отличающийся от каждого из термо­электродов.

Рис. 1. Схемы подключения измерительно­го прибора:

а — к свободным концам термопары; б — в разрыв одного из термоэлектродов

Свойства обычных термоэлектродных материалов ис­следуют, рассматривая термоэлектрические свойства тер­моэлектродов по отношению к нормальному термоэлек­троду. Т. э. д. с., развиваемая между двумя разно­родными термоэлектродами а и b, может быть найдена простым вычитанием двух т. э. д. с., возникающих между каждым из термоэлектродов и нормальным тер­моэлектродом. В качестве нормального установлен термоэлектрод из чистой платины.

К термоэлектродным материалам в пределах измеряе­мых температур предъявляют ряд требований: 1) они не должны изменять своих физических свойств; 2) не должны окисляться и поддаваться иным вред­ным воздействиям; 3) температурный коэффициент электросопротивления должен быть по возможности минимальным, а элек­тропроводность высокой; 4) величина т. э. д. с. должна быть достаточно высокой и изменяться однозначно в зависимости от тем­пературы; 5) термоэлектродные материалы должны воспроиз­водиться с неизменными свойствами в больших количе­ствах.

Величина термоэлектродвижущей силы зависит от: свойств пары электродов, образующих термопару; разности температур (чем она больше, тем больше т. э. д. с.).

Термопары изготовляют из: 1) благородных метал­лов; 2) неблагородных металлов; 3) металлических тер­моэлектродов в паре с неметаллами и химическими сое­динениями.

Для измерения сопротивлении термометров в лабораторных условиях обычно применяют уравновешенные мосты, я при точных измерениях—потенциометры. В промышленных условиях термометр сопротивления работает в комплекте с неуравновешенными мостами, логометрами и автоматическими уравновешенными мо­им.

Погрешность измерения температуры термометрами сопротивления зависит от предельных погрешностей при градуировке чувствительного элемента и от допустимой погрешности измерительного прибора и обычно находится в пределах 0,5—3%. Суммарная инструментальная погрешность определяется классом термометра сопротивления и классом измерительного прибора.

4. Метод реперных точек

Метод реперных точек можно использовать для поверки приборов, т.е. сравнением показаний в одной или в нескольких основных или вторичных реперных точках.

Наиболее простой реализацией реперной точки является применение ее для воды -2 точки (1-при замерзании-0⁰С, 2-при закипании-100⁰С).

T_кипО₂=-182,97⁰С

T_кип S=444,6⁰С

T_кип Ag=960,8⁰С

T_{кип Au=1063,00}⁰С

5. Жидкостно-стеклянный термометр

В этих термометрах измеряется расширение жидкости по сравнению с объемом резервуара. Основная часть термометрической жидкости располагается в шарообразном резервуаре, который и явл. чувствительным элементом. Резервуар сообщается с длинным и узким стеклянным капилляром.

Для заполнения термометров используют любые жидкости. Они бывают смачивающие(органические) и несмачивающие(ртуть).

Данные термометры не обладают высокой точностью, но явл. самыми распространенными для измерения тем-р, их используют и в бытовых условиях, и в лабораторной практике.

6.Манометрический и газовый

В этих термометрах, как и в стеклянных, в качестве измеряемой величины, определяющей тем-ру, использовано изменение объема термометрической жидкости, однако к чувствительному прибору д. б. подключен прибор, механически показывающий изменение объема. Они просты по контрукции, прочны, надежны и не нуждаются практически ни в каком обслуживании. Они позволяют передавать показания на ограниченное расстояние, а развиваемое ими усилие настолько велико, что к ним м.б. подключены не только показывающие приборы, но и передающие преобразователи или механические регуляторы прямого действия.

Газовые термометры. Теоретической основой термометрии явл. термодинамическая температурная шкала. Поскольку ее очень трудно воспроизвести, для технических измерений регламентированы несколько реперных точек, к-ые м.б. получены значительно проще. Термодинамическая температурная шкала реализуется газовым термометром, как важнейшим прибором в весьма широкой области тем-р, практически вплоть до абсолютного нуля.

При этом методе измеряют изменение давления р или объема газа V в функции тем-ры Т (абс) в соответствии с законом состояния идеального газа:

рV = mRT,

причем масса m и величина R(универсальная газовая постоянная) здесь считаются константами. В термометре м.б. использованы любые газы, близкие к идеальному. На измерение оказывают искажающее влияние многие факторы, для исключения которых необходим ряд корректировочных мероприятий. Для технических целей газовый термометр слишком сложен.