Приборы для измерения температуры

Температура — мера теплового состояния вещества, измеряемая в гра­дусах температурной шкалы.

Измерить температуру вещества какого-либо тела или среды непосред­ственно, т.е. так, как измеряют другие физические величины, например, длину, массу, объем, не представляется возможным, так как в природе не существует эталона или образца единицы этой величины. Определение тем­пературы вещества проводят посредством наблюдения за изменением физи­ческих свойств другого, так называемого термометрического (рабочего) ве­щества, после соприкосновения, которого с нагретым объектом измерения между ними через некоторое время устанавливается тепловое равновесие.

Такой метод не дает абсолютного значения температуры нагретого тела, а лишь разность температур относительно исходной температуры рабочего вещества, условно принятой за нуль.

При увеличении в процессе нагрева внутренней энергии рабочего ве­щества практически все его физические свойства и размеры меняются, но для измерения температуры выбирают те из них, изменение которых одно­значно с изменением температуры, не подвержено влиянию других факторов и сравнительно легко поддается точному измерению. Этим требованиям наиболее полно соответствуют такие свойства используемых рабочих ве­ществ, как объемное расширение, изменение давления в замкнутом объеме, изменение электрического сопротивления, возникновение термоэлектродви­жущей силы и интенсивность излучения. Именно эти свойства лежат в основе принципов действия приборов для измерения температуры.

Термометры расширения. Вработе термометров расширения использует­ся свойство тел изменять объем, а следовательно, и линейные размеры при повышении температуры.

В жидкостных стеклянных термометрах в качестве рабочего вещества применяют ртуть и органические жидкости — этиловый спирт, толуол, пентан и др.

Наиболее широкое распространение получили ртутные стеклянные термометры. При нормальном абсолютном давлении ртуть находится в жид­ком состоянии при температурах от -39 (точка замерзания) до +357 °С (точка кипения). Стеклянные термометры с органическими заполнителями пригодны для измерения температур в пределах -190... +100 °С.

Верхний предел измерения ртутных термометров, ограничиваемый температурой размягчения стеклянной оболочки термометра, достигается при помощи искусственного повышения точки кипения ртути. С этой целью у термометров для измерения высоких температур 500 °С и выше простран­ство капилляра над ртутью заполняется инертным газом (азотом) при дав­лении свыше 2 МПа (20 кгс/см²).

Ртутные стеклянные термометры изготавливаются двух типов: с вло­женной шкалой и палочные. Термометр технический с вложенной шкалой (рис. 2.1, а) имеет заполненный ртутью резервуар 6, капилляр 4, шкалу 3, выполненную из стеклянной пластинки молочного цвета, и наружную ци­линдрическую оболочку 2, в которой укреплены ка­пилляр и шкала.

Лабораторный палочный термометр (рис. 1.1, б) состоит из резервуара 6, соединенного с толстостен­ным капилляром 4, имеющим наружный диаметр 6... 8 мм. Шкала термометра нанесена непосредствен­но на наружной поверхности капилляра в виде на­сечки по стеклу.

Точность показаний ртутного термометра, как и любого прибора для измерения температуры, зависит от способа установки. Неправильная установка при­бора, приводящая к большой утечке теплоты в окру­жающую среду, может привести к занижению его показаний на 10... 15 %.

Применяют два способа установки ртутных тер­мометров: в защитных гильзах и без них, т.е. путем непосредственного погружения термометра в изме­ряемую среду.

Наиболее распространенным способом является установка термометра в защитной гильзе (рис. 1.2), предохраняющей его от поломки.

Рис. 1.1. Типы ртутных термометров:

а — технический с вложенной шкалой; 6 — лабораторный с безнулевой шкалой; 1 — пробка, залитая гипсом; 2 — оболочка; 3 — шкала; 4 — капилляр; 5 — нижняя часть термометра; б — резервуар; 7,8 — рас­ширения капилляра; 9 — дополнительная шкала.

Рис. 1.2. Варианты установки ртутного термометра в защитной гильзе:а — вдоль оси трубопровода; б — наклонно к оси горизонтального трубопровода; в — нормально к оси горизонтального трубопровода; г — на вертикальном трубопроводе; д — диаметр трубопровода; —► — направление потока среды

Манометрические термометры. Их действие основано на измерении изменения давления жидкости, газа или пара в замкнутом объеме в зависимости от температуры. Указанные термометры являются техническими или самопишущими приборами и предназначаются для измерения температуры в пределах от +150... +600 °С. Класс точности термометров 1-2,5.

Схема манометрического термометра показана на рисунке 1.3. Замкнутая система прибора, заполненная рабочим веществом, состоит из термобаллона 5, погружаемого в измеряемую среду, трубчатой (манометрической) пружины 2, воздействующей посредством тяги 1 на стрелку или перо прибора, и капиллярной трубки 3, соединяющей пружину с термобаллоном.

Термобаллон выполняется из стальной или латунной трубки, с одного конца закрытой, а с другого соединенной с капилляром посредством объ­емного штуцера 4 с сальниковым уплотнением и резьбой. Термобаллон устанавливается в трубопроводах, баках и др.

При нагреве термобаллона давление рабочего вещества в нем возрастает, импульс давления передается через капилляр трубчатой пружине и вызывает ее перемещение. Соединительный капилляр, выполненный из медной или стальной трубки с внутренним диаметром 0,2...0,4 мм и толщиной стенки 0,5...2 мм, снаружи защищен металлической оплеткой. Длина его достигает 60 м.

Рабочим веществом газовых манометрических термометров является азот, для заполнения жидкостных манометрических термометров применя­ется ртуть, ксилол, толуол при начальном давлении 1,5...2 МПа, для паро­жидкостных — низкокипящие органические жидкости (хлорид метила, ацетон, бензол и др.).

Рис. 1.3. Схема манометрического термометра:

1 — тяга; 2 — трубчатая пружина; 3 — капиллярная трубка; 4 — штуцер с сальниковым уплотнением; 5 — термобаллон

Термометры сопротивления. Для измерения температуры широкое при­менение получили термометры сопротивления, основанные на изменении электрического сопротивления металлических проводников в зависимости от температуры. Для металлов и сплавов электрическое сопротивление при повышении температуры возрастает, поэтому, располагая зависимостью со­противления проводника от температуры и определяя это сопротивление при помощи электроизмерительного прибора, можно получить информацию о температуре проводника.

Термометры сопротивления применяются для измерения температуры в диапазоне от -260 до +750 °С (в отдельных случаях до 1000 °С).

Достоинствами термометров сопротивления являются высокая точность измерения, легкость осуществления автоматической записи и дистанционной передачи показателей, возможность присоединения к одному вторичному прибору при помощи переключателя нескольких однотипных термометров.

Термометр сопротивления выполняется из тонкой металлической про­волоки, намотанной на каркас из электроизоляционного материала (слюды, кварца, пластмассы) и помещенной в металлический защитный чехол с го­ловкой для подключения соединительных проводов.

В качестве вторичных приборов, работающих с термометрами сопро­тивления, применяются уравновешенные и неуравновешенные измеритель­ные мосты и логометры.

Стандартные технические термометры сопротивления имеют следующие условные обозначения: платиновые — ТСП, медные — ТСМ. Например, в пла­тиновом термометре сопротивления ТСП-1 на каркасе из слюдяной пластинки 5 (рис. 1.4), имеющей по бокам зубчатую насечку, намотана платиновая прово­лока 4 диаметром 0,07 мм и длиной примерно 2 м. К концам платиновой об­мотки припаяны два вывода 1 из серебряной проволоки диаметром 1 мм, при соединенные к латунным зажимам в головке 9 термометра. Слюдяная пластинка с обмоткой изолирована с двух сторон более широкими слюдяными накладками 2 и связана с ними в общий пакет серебряной лентой 3.