Понятие о температуре и температурных шкалах. Классификация методов и приборов для измерения температуры

 

Одним из основных параметров, определяющих ход металлургических процессов, является температура. Работа печных агрегатов характеризуется температурой металла, шлака, топлива, защитной атмосферы, дымовых газов, кладки, а также других сред и элементов рабочего пространства. От точного и надежного измерения данной величины в значительной мере зависит эффективность функционирования АСУ ТП. Многообразие задач предопределило появление большого числа различных методов и средств контроля температуры.

Тепловое состояние тела (степень его нагретости) определяется средней кинетической энергией поступательного движения молекул данного тела. Следовательно, и температура, характеризующая тепловое состояние физического объекта, является статистической величиной, поэтому ее измерение имеет смысл только в телах, состоящих из достаточно большого числа молекул.

Разный уровень температур двух тел, находящихся в контакте, определяет направление теплопередачи: тело с более высокой температурой отдает свою внутреннюю энергию телу с более низкой температурой до тех пор, пока их температуры не станут равными.

Таким образом, температура тела - параметр состояния, который определяет направление передачи тепловой энергии. Измерить температуру непосредственно, как плотность или линейные размеры, невозможно, поэтому температуру определяют косвенно, по изменению физических свойств различных тел, получивших название термометрических, например, объемное расширение, изменение электрических свойств: электрической проводимости, термоэлектродвижущей силы (т.э.д.с.) и т.п.

Для определения изменяющегося уровня теплового состояния необходимо иметь непрерывный ряд значений выбранного свойства термометрического вещества, т.е. температурную шкалу, под которой таким образом понимается непрерывная совокупность чисел, линейно связанных с числовыми значениями данного достаточно точно измеряемого физического свойства, являющегося однозначной и монотонной функцией температуры.

Для построения известных температурных шкал обычно используют две постоянные реперные точки t₁ и t₂, в качестве которых выбирают температуры фазового равновесия однокомпонентных систем.

Данным точкам присваивают произвольные числовые значения и предполагают, что термометрическое свойство Е используемого в термометре вещества линейно изменяется с температурой t:

 

t = kE+D,

 

где k - коэффициент пропорциональности; D - постоянная.

Для определения температур вычисляют постоянные k и D строят условную температурную шкалу.

На этом принципе основаны шкалы Фаренгейта (⁰F), Реомюра (⁰R) и Цельсия (⁰С), появившиеся в XIX в. В них за опорные (реперные) точки принимались температуры замерзания и кипения воды. Температура замерзания воды принимается за 0 ⁰R, 0 ⁰C и 33 ⁰F, точка ее кипения - 80 ⁰R, 100 ⁰С и 212 ⁰F (в шкале Фаренгейта имеется еще одна реперная точка, равная 100 ⁰F - это температура тела здорового человека). Однако указанные температурные интервалы разбивались на различное количество одинаковых частей - градусов. Указанные шкалы отличаются только видом зависимости Е=f(t) и поэтому могут быть пересчитаны одна в другую по формуле

 

n ⁰С = 0,8n ⁰R = (1,8n + 32)⁰F.

 

Применение указанных типов шкал при использовании различных термометрических веществ, таких как спирту ртуть и т.п., давало хорошие результаты в узком диапазоне температур. Однако с развитием измерительной техники было обнаружено, что различные термометры хорошо воспроизводят только две реперные точки, а в промежуточных значениях шкал, вследствие зависимости свойств заполнителя и сосуда (коэффициентов линейного расширения) от температуры, их показания расходятся, причем эти различия особенно ярко проявляются при высоких и очень низких температурах.

Более точными являются условные газовые температурные шкалы, так как свойства газов меньше зависят от уровня измеряемых температур. Шкала водородного газового термометра с диапазоном (-25 ÷ 100)⁰С в конце XIX в. признана "нормальной" и положена в основу теплотехнических измерений. Температура в нем фиксировалась по изменению давления газа при постоянном объёме.

В середине прошлого века Кельвин предложил термодинамическую шкалу, основанную на втором законе термодинамики и независящую от свойств термометрического вещества. В указанной. шкале за нулевое значение принята температура абсолютного нуля. Один градус по термодинамической температурной шкале - градус Кельвина (К) - соответствует такому повышению температуры, которое равно 1/100 части работы по циклу Карно между точками плавления льда и кипения воды при нормальном атмосферном давлении. Деление на 100 равных частей было предложено для сохранения преемственности со стоградусной шкалой Цельсия.

Термодинамическая шкала тождественна температурной шкале идеального газа, которую можно получить, вводя поправки (от 0,001 до 0,5 ⁰С) к показаниям реального газового термометра. Последние могут применяться для воспроизведения термодинамической стоградусной шкалы до температур, не превышающих 1200 ⁰С. Необходимо также отметить, что газовые термометры достаточно сложные приборы, пользоваться которыми на практике неудобно. Для обеспечения единства измерений в широком интервале температур от 0,01 до 100000 К в стране с 1.011976 г. установлены практические температурные шкалы и регламентированы методы воспроизведения, позволяющие получать температуры, близкие по значениям к термодинамическим температурам. Единицей температуры в практических шкалах, так же как и в термодинамической шкале, является кельвин (К). Допустимо применение и другой единицы температуры - градус Цельсия (⁰С). Между кельвином и градусом Цельсия существует следующее соотношение:

 

Т = t + 273,15,

 

где t- температура, ⁰С; Т - температура, К.

Единица кельвин определена как 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды. Разность температур выражается либо в кельвинах, либо в градусах Цельсия.

В производственной практике наиболее широко используется Международная практическая температурная шкала 1968г. (МПТШ-68), установленная для интервала температур от 13,81 до 6300 К. МПТШ-68 базируется на эталонных приборах и 11 реперных точках, которым присвоены точные значения температур. Реперные точки воспроизводятся с высокой точностью при помощи фазовых равновесий ряда чистых веществ. Платиновый термометр сопротивления используется в интервале температур от 3,81 до 903,89 К (от -259,34 до +630,74 ⁰С), а термоэлектрический платинородий-платиновый термометр от 903,89 до 1337,58 К (630,74-1064,43 ⁰С). Выше 1337,58 К температуру определяют с помощью закона излучения Планка.

 

Таблица 2.1 - Некоторые реперные точки МПТШ-68

Состояние фазового равновесия	Температура
К	0С
Равновесие между твердой, жидкой и парообразной фазами равновесного водорода (тройная точка равновесного водорода)	13,81	-259,34
Равновесие между твердой, жидкой и парообразной фазами кислорода (тройная точка кислорода)	54,361	-218,789
Равновесие между жидкой и парообразной фазами кислорода (точка кипения кислорода)	90,188	-182,962
Равновесие между твердой, жидкой и парообразной фазами воды (тройная точка воды)	273, 16	0,81
Равновесие между жидкой и парообразной фазами воды (точка кипения воды)	373,15
Равновесие между твердой и жидкой фазами цинка (точка затвердевания цинка)	692,73	419,58
Равновесие между твердой и жидкой фазами серебра (точка затвердевания серебра)	1235,08	961,93
Равновесие между твердой и жидкой фазами золота (точка затвердевания золота)	1337,58	1064,43
Примечание. Значения температур (за исключением тройных точек) даны для состояния равновесия при давлении Р=101,325 кПа.

 

Специальными поверочными схемами осуществляется передача с определенной точностью практических температурных шкал от эталонов к образцовым средствам измерений, а от них - рабочим измерительным устройствам и приборам.

Эталоны имеют наивысшую метрологическую точность, образцовые приборы 1-го, 2-го и 3-го разрядов имеют большую погрешность, увеличивающуюся с номером разряда.

В научно-технической и производственной практике существует значительное число разнообразных устройств для измерения температуры твердых, жидких и газообразных веществ, использующих различные термометрические свойства и носящих название термометр. Термометр - это прибор, применяемый для измерения температуры путем преобразования ее в показания или сигнал измерительной информации, являющийся известной функцией температуры. Часть термометра, преобразующая тепловую энергию в другой вид энергии, называется чувствительным элементом.

Известные приборы для контроля температуры можно разделить на две большие группы: контактные и бесконтактные. Первые отличаются тем, что у них чувствительный элемент термометра приводится в непосредственное соприкосновение с измеряемой средой.

 

Таблица 2.2 – Пределы применения термометров для измерения температуры в промышленных условиях

Термометрическое свойство	Наименование устройства	Пределы длительного применения, 0С
нижний	верхний
Контактный метод измерения
Тепловое расширение	Жидкостные стеклянные термометры	-200
Дилатометрические и биметаллические термометры	-60
Изменение давления	Манометрические термометры	-200
Изменение электрического сопротивления	Электрические термометры сопротивления (металлические)	-260
Полупроводниковые термометры сопротивления (терморезисторы)	-100
Термоэлектрический эффект (т.э.д.с.)	Стандартные термоэлектрические термометры	-200
Нестандартные термометры термоэлектрические	-200
Бесконтактный метод измерения
Тепловое излучение	Пирометры спектрального отношения
Радиационные пирометры
Пирометры частичного излучения
Фотоэлектрические пирометры
Оптические пирометры

Термометры расширения

 

Стеклянные жидкостные термометры. Для измерения температуры в лабораторных условиях и промышленной практике широко применяют стеклянные жидкостные термометры, являющиеся самым старым видом термометров. Их характеризуют достаточно высокая точность, невысокая стоимость, простота эксплуатации.

Принцип действия термометра основан на зависимости между температурой и объемом термометрической жидкости, заключенной в стеклянной оболочке. Зафиксировать изменение положения верхней границы столбика жидкости возможно вследствие разности температурных коэффициентов объемного расширения жидкости и стекла. Из-за увеличения объема резервуара видимое изменение объема жидкости ниже действительного.

Наиболее широко в качестве термометрической жидкости используется ртуть. Применяют также органические заполнители: толуол, этиловый спирт, керосин, пентан и др.

Наибольшее распространение получили термометры с ртутным заполнением, так как ртуть находится в жидком состоянии в широком диапазоне температур (верхний предел может быть доведен до 1200 °С с помощью увеличения давления в капилляре и применения для его изготовления плавленого кварца); не смачивает стекла, что позволяет использовать капилляры с небольшим диаметром канала (до 0,1 мм) и обеспечить высокую точность измерения (ртутные образцовые термометры 1-го разряда имеют доверительную погрешность = 0,002÷0,2 °С). Ртуть имеет в 6-8 раз меньший, температурный коэффициент объемного расширения, чем другие заполнители. Это снижает чувствительность ртутных термометров. Однако для термометров, градуированных при неполном погружении, погрешности из-за выступающего столбика будут в 6-8 раз меньше, чем у нертутных (при прочих равных условиях измерения).

Органические заполнители характеризуются более низкой температурой применения, меньшей стоимостью и вредностью в эксплуатации и производстве. Вследствие смачивания стекла термометры с органическими термометрическими жидкостями имеют меньшую точность отсчета.

Стеклянные жидкостные термометры конструктивно делятся на два основных типа: палочные и со вложенной шкалой.

Шкала у палочных термометров непосредственно на толстостенном капилляре, а у второго типа устройств – на прямоугольной стеклянной пластинке молочного цвета, находящейся сзади капилляра. Несмотря на большую инерционность, термометры со вложенной шкалой получили широкое распространение, так как более удобны для применения.

Стеклянные термометры в зависимости от назначения и области использования подразделяются на: образцовые, лабораторные, технические, бытовые, метеорологические, термометры для сельского хозяйства. Лабораторные термометры обеспечивают контроль в интервале температур 0-500 °С.

Имеется значительное количество модификаций термометров в зависимости от предела измерения, длины нижней (от 66 до 1043 мм) и верхней частей (160 или 240 мм). Допускаемая погрешность равна цене деления технического термометра. При постоянной эксплуатации в различных точках металлургических агрегатов термометры устанавливаются в специальных металлических защитных оправах.

Для обеспечения задач позиционного регулирования и сигнализации температуры в лабораторных и промышленных установках разработаны специальные электроконтактные технические термометры двух типов: 1) с постоянными впаянными контактами, обеспечивающие замыкание и размыкание электрических цепей при одной, двух или трех заранее заданных температурах; 2) с одним подвижным контактом (перемещается внутри капилляра с помощью магнита) и вторым неподвижным контактом, впаянным в капилляр, что обеспечивает замыкание и размыкание электрической цепи между контактами при любом значении выбранной шкалы термометра. Перемещающаяся в капилляре ртуть обеспечивает размыкание или замыкание цепи между контактами, к которым подводится напряжение постоянного или переменного тока и нагрузка на которых не должна превышать 0,5 мА при напряжении не более 0,3 В.

По методу градуировки и установки при измерении жидкостные термометры подразделяются на два типа: 1) эксплуатируемые при полном погружении, т.е. при погружении термометра в измеряемую среду до отсчитываемого деления шкалы; 2) эксплуатируемые при заданной глубина погружения, т.е. нижняя часть термометра погружается в измеряемую среду до отметки, указанной на корпусе прибора.

В процессе измерения температур стеклянными жидкостными термометрами появляются погрешности, обусловленные рядом причин. Это ошибки, возникающие вследствие дефектов термометра (возгонка термометрической жидкости, разрывы столбика жидкости, смещение шкальной пластинки и т.п.); ошибки, вносимые наблюдателем; ошибки, возникающие при нормальной эксплуатации (погрешность в нанесении отметок шкалы, нелинейная температурная зависимость изменения объемов термометрической жидкости и стеклянной оболочки) и при отклонении условий эксплуатации от нормальных.

 

1- резервуар; 2 – капилляр; 3- шкала; 4 – оболочка

 

а – палочный; б – технический со вложенной шкалой

Рисунок 2.1 – Жидкостные стеклянные термометры

 

Несколько подробнее остановимся на последних. Величину их можно уменьшить введением поправок, учитывающих условия измерения. Рассмотрим случай, когда термометр, градуированный при полном погружении, невозможно погрузить в измеряемую среду (или термостат) до отсчитываемого деления шкалы. Таким образом, часть столбика термометрической жидкости выступает над уровнем среды и имеет другую температуру. Среднюю температуру выступающего столбика измеряют с помощью небольшого дополнительного палочного термометра, резервуар которого крепится к корпусу основного измерителя в середине столбика и изолируется асбестовым шнуром.

Для исключения погрешности вводят поправку на выступающий столбик , определяемую по формуле

 

.

 

где n – число градусов на выступающем столбике, °С; 0 – коэффициент видимого расширения термометрической жидкости, в стекле, 1/К; t – температура, показываемая термометром, ⁰С; t_в.с. – средняя температура выступающего столбика, ⁰С.

Пример. Лабораторный стеклянный ртутный термометр, погруженный в измеряемую среду до отметки 120 ⁰С, показывает температуру 290 °С. Температура выступающего столбика равна 30 ⁰С. Коэффициент видимого объемного расширения ртути в стекле = 0,00016 1/К. Поправка на выступающий столбик составит =170 ∙ 0,00016 (290 - 30)= 7,07 7,0 ⁰С. Действительное значение измеренной температуры равно 290 + 7 = 297 ⁰С.

При эксплуатации термометра с заданной глубиной погружения может возникнуть ошибка вследствие того, что температура его выступающей части значительно отличается от температуры t`_в при его градуировке (обычно равной 20 °С). Поправка вычисляется по формуле:

 

.

 

где m – число градусов, отсчитываемое по термометру, при нормальной глубине погружения, °С; – коэффициент видимого расширения термометрической жидкости в стекле, 1/К.

Поверка жидкостных стеклянных термометров проводится в термостатах с помощью образцовых термометров более высокого класса точности.

Биметаллические и дилатометрические термометры. Твердые тела в различной степени изменяют свои линейные размеры при изменении температуры. Данное свойство положено в основу принципа действия биметаллических и дилатометрических термометров.

Металлы и их сплавы относятся к материалам с высоким температурным коэффициентом линейного расширения. Для латуни он равен (18,3-23,6) ∙ 10^-6 1/⁰C, для никелевой стали - 20 ∙ 10^-6 1/°С. В то же время сплав инвар имеет низкий температурный коэффициент линейного расширения (0,9 ∙ 10^-6 1/⁰С), так же как и плавленый кварц (0,55 ∙ 10^-6 1/°С).

Схема биметаллического термометра, в котором в качестве термочувствительного элемента используется двухслойная пластинка, состоящая из металлов с существенно различными температурными коэффициентами линейного расширения: латуни 1 и инвара 2. При увеличении температуры свободный конец пластины будет изгибаться в сторону металла с меньшим коэффициентом и по величине этого перемещения судят о температуре

 

.

 

где a - коэффициент удельного изгиба, 1/⁰С; l - длима термометра, м; - толщина термометра, м.

Большие величины перемещений свободного конца биметаллического термометра имеют устройства, в которых чувствительный элемент выполнен в виде спирали: плоской винтовой. Угловое перемещение свободного конца спирали определяется из формулы

 

.

 

Схемы, поясняющие принцип действия винтовой спирали и биметаллического термометра. Внутри защитного чехла 1, погруженного в измеряемую среду, расположена винтовая спираль 2, выполненная из двух спаянных между собой металлических полосок, один конец которой неподвижно закрепленного в чехле, а другой (свободный) соединен со штоком 3. Последний обеспечивает, переценив стрелки 5 относительно шкалы 6 в корпусе 4 с защитным стеклом 7.

 

 

1 – латунь; 2 – инвар; 3 – неподвижный контакт; 4 – передвижной указатель задатчика; 5 – сигнальная лампа

Рисунок 2.2 - Схема устройства биметаллического термометра пружинного типа

 

 

 

а - схема устройства; б - принцип действия

 

Рисунок 2.3 - Биметаллический термометр с винтовой спиралью

Данный тип устройств часто используется как термореле в системах сигнализации и автоматического регулирования, а также в качестве температурных компенсаторов в Измерительных устройствах, например в пирометрах, манометрических термометрах и т.п. Пределы установки срабатывания биметаллических датчиков-реле температуры (-30)÷(+50)°С, зона нечувствительности 2-6 ⁰С, основная допустимая погрешность ±(1-2,5) С.

Схема чувствительного элемента дилатометрического датчика температуры.

 

 

Рисунок 2.4 – Дилатометрический термометр

 

Внутри корпуса чувствительного элемента трубки 6 расположены трубка 1 и стержень 7, выполненный из материала (инвар, кварц) с небольшим температурным коэффициентом линейного расширения по сравнению с аналогичным коэффициентом корпуса 1 (латунь, коррозионностойкая сталь). Стержень 7 через трубку 1 и толкатель 3 с помощью пружины 4 постоянно поджимается к нижнему концу трубки 6. Шарик 2 исключает появление люфтов между стержнем 3 и компенсационной трубкой 1, которая выполнена на того же материала, что и корпус чувствительного элемента 6, и предназначена для исключения температурной погрешности при установке на объектах с различной толщиной тепловой изоляции.

Действие данного устройства основано на изменении разности удлинений чувствительного элемента 6 и стержня 7 пропорционально приращению температуры измеряемой среды. Полученное приращение трансформируется в преобразователе 5, усиливается и поступает на регистрирующий прибор (усилительная приставка и прибор на рисунке не показаны).

Дилатометрические датчики температуры выпускаются с электрическим и пневматическим выходным дилатометрический сигналом. Диапазон измерений от -60 до 1000 ⁰С, основная допустимая погрешность 1,6-4,0%.

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: