Физические принципы измерения температуры. Классификация методов измерения температуры

В термодинамике равновесных процессов температурой называют физический параметр, определяющий состояние термодинамического равновесия системы макроскопических тел и имеющий одинаковое значение для всех макроскопических частей системы.

Важная макроскопическая характеристика состояния тела - температура - обусловлена интенсивностью беспорядочного движения молекул этого тела и поэтому может быть количественно выражена через их скорости движения. Но при этом надо иметь в виду, что у молекул, образующих тело, нет единой скорости движения: в любой момент времени каждая молекула имеет свою индивидуальную (случайную) скорость (в этом и заключается Беспорядочность теплового движения). Поэтому температуру тела можно выразить только через некоторое Среднее значение скорости движения его многочисленных молекул. Таким образом, понятие температуры является статистическим и применимо только к объемам, содержащим очень большое число молекул.

Для газообразных сред средняя энергия поступательного движения молекул связана с температурой уравнением:

В пространстве, где имеется сильное разрежение, статистические законы не применимы. В этом случае температура определяется по мощности потока лучистой энергии.

Средняя энергия молекулы

Где i — число степеней свободы молекулы.

Согласно закону равнораспределения, среднее значение энергии одной молекулы будет (при той же температуре) тем больше, чем сложнее молекула, чем больше у нее степеней свободы. При определении нужно учесть, что колебательная степень свободы должна обладать вдвое большей энергетической емкостью по сравнению с поступательной или вращательной. Это объясняется тем, что поступательное и вращательное движение молекулы связано с наличием только кинетической энергии, в то время как колебательное движение связано с наличием и кинетической, и потенциальной энергии, причем для гармонического осциллятора среднее значение кинетической и потенциальной энергии оказывается одинаковым. Поэтому на каждую колебательную степень свободы должны приходиться в среднем две половинки KT - одна в виде кинетической энергии и одна в виде потенциальной.

Сущность температуры сложна и многообразна. Например, при изучении высокотемпературной плазмы вводится понятие электронной температуры, характеризующей поток электронов в плазме.

Вообще при изучении неравновесных процессов понятие температуры как единого термодинамического параметра неприменимо. При интенсивных химических, атомных, ядерных реакциях, сопровождающихся быстрым выделением тепловой энергии, нарушается равномерное распределение энергии между отдельными видами движения. В термодинамически неравновесном газе (при горении, взрывах, при электрических разрядах в газах) существует одновременно много различных температур: температуры частиц (молекулярная, атомная, ионная, электронная), температуры различных степеней свободы движения частиц (поступательная, вращательная, колебательная), а также температуры возбуждения и ионизации. Например, в лампе дневного света можно говорить о температуре электронов (десятки тысяч Кельвин), температуре ионов (несколько сотен Кельвин), температуре нейтральных атомов и температуре стенок колбы (~36 — 370С). Таким образом, при измерении температуры неравновесных газов или плазмы результаты измерения будут зависеть от того, к какому виду движения и каких именно частиц чувствителен используемый метод измерения. Например, температуру стенок лампы дневного света можно определить контактными методами, а характеристики процессов внутри нее — с помощью спектральных методов.

Таким образом, температура может представлять собой как параметр состояния, определяющий качественную (тепловую) сторону процесса, так и потенциал переноса тепловой энергии, определяющий количественную сторону процесса.

Температура - важнейший параметр теплотехнических систем, однако ее величина не может быть определена непосредственно. При изменении теплового состояния тела кроме температуры изменяются и другие его физические характеристики (например, объем). По количественному изменению этих характеристик (объема, электродвижущей силы, электрического сопротивления) можно судить об изменении температуры тела. Тело (прибор), по изменению какой-либо физической характеристики которого можно определять его температуру, называется Термометром.

Для измерения температуры термометром необходимо установить температурную шкалу, т. е. точную зависимость между термическими свойствами какого-либо тела и его температурой. Измерительные преобразователи температуры основаны на учете изменения какого-либо параметра объекта или специального Термометрического вещества, связанного с температурой известной зависимостью. При этом необходимо, чтобы изменения используемого параметра были связаны с температурой функциональной зависимостью, близкой к линейной; эта связь должна наименьшим образом искажаться из-за воздействия других параметров процесса и точно и просто воспроизводиться при градуировании. Современная термометрия не располагает ни веществом, ни параметром, полностью удовлетворяющим этим требованиям.

Только идеальный газ имеет термический коэффициент объемного расширения (при Р=соnst) и термический коэффициент давления (при V=const), не зависящие от T. Но формальное использование законов Гей-Люссака и Шарля для установления абсолютной или термодинамической шкалы температур (шкалы Кельвина) приводит к неверному выводу: при температуре, равной абсолютному нулю, V=0, Р=0, т. е. что при абсолютном нуле температуры вещество исчезает (рис. 1).

Рис. 1.

Из различных газов меньше всех отклоняется от законов идеального газа водород. Поэтому в качестве нормальной температурной шкалы была принята стоградусная шкала водородного термометра с постоянным объемом. За ноль температуры принята температура тающего льда, 1000 — температура насыщенных паров воды, кипящей на широте 450 при нормальных условиях. Недостатком водородного термометра является диффузия водорода через стенки сосуда при высоких температурах и его каталитические свойства (химическое взаимодействие с материалом стенок сосуда). При низких температурах водород отклоняется от свойств идеального газа.

Наиболее распространенной температурной шкалой является Шкала Цельсия, за основные точки которой приняты положения верхних уровней столбика жидкости, когда термометр находится в тепловом контакте: 1) с тающим льдом; 2) с паром кипящей воды (при нормальном атмосферном давлении). Расстояние между этими уровнями разделено на 100 равных частей; 0,01 этого расстояния принята за 1 градус температурной шкалы Цельсия (1°С), что соответствует одному Кельвину (1 К).

Поскольку измерение температуры связано с использованием определенных тел и их термометрических свойств, а при разных температурах тела имеют разные энергетические состояния и разные физические свойства, постольку принятая единица измерения температуры (1 град) является по существу лишь мерой масштаба принятой температурной шкалы, и процесс измерения температуры является определением положения на температурной шкале уровня измеряемой температуры. Поэтому особое значение в термометрии имеет принцип построения и воспроизведения температурной шкалы.

В настоящее время используется термодинамическая шкала, в основу которой положено, по предложению Кельвина, использование термодинамического цикла Карно идеальной тепловой машины, состоящего из двух изотерм и двух адиабат. Для сопоставления температур двух тел нужно осуществить цикл Карно, используя эти тела в качестве нагревателя и холодильника. Отношение количества тепла, отданного телу - «холодильнику», к количеству тепла, отобранного от тела - «нагревателя», даст отношение температур рассматриваемых тел. Для однозначного определения численного значения температуры необходимо условиться о выборе единицы измерения T, т. е. градуса. За абсолютный градус принимается одна сотая разности температур кипящей при атмосферном давлении воды и тающего льда. Размер 1 град шкалы определяется тем, что температуре тройной точки воды приписано числовое значение 273,16 К, а нижней границей основного интервала шкалы является абсолютный нуль. Определяемый таким образом градус термодинамической шкалы совпадает с величиной 1°С, а переход от температуры t°С к температуре Т К выражается точной формулой

Т = (T +273,16) К.

Таким образом, градус абсолютной термодинамической шкалы равен градусу идеальной газовой шкалы. Термодинамическая шкала температур совпадает с идеальной газовой шкалой. Точка t = -273°C принята за начало отсчета (нуль) Абсолютной (или Шкалы Кельвина, или Термодинамической) шкалы температур. Температура, отсчитываемая по абсолютной шкале, называется Абсолютной, или Термодинамической температурой; нуль этой шкалы называется Абсолютным нулем. Абсолютный нуль равен -273,16 °C.

Преимущество этой шкалы заключается в том, что она не зависит от выбора тела (рабочего вещества в цикле Карно), используемого для измерения температуры.

Абсолютную температуру и абсолютный нуль не следует рассматривать как формальные понятия, не имеющие физического смысла. Абсолютный нуль - это, как показал Кельвин, самая низкая из возможных температур вещества. При абсолютном нуле полностью прекращается хаотическое движение молекул в веществе. Однако это не значит, что в нем прекращается всякое движение. Сохраняется, например, движение электронов в атоме. В настоящее время удается охлаждать малые объемы вещества до температур близких к абсолютному нулю, не достигая последнего лишь на несколько тысячных долей Кельвина.

Термодинамическая шкала температур воспроизводится по показаниям газовых термометров постоянного давления или постоянного объема. Однако газовые термометры не обеспечивают требуемой точности измерений температуры. Кроме того, верхний предел их применения составляет 10000 С. Поэтому для измерения температур в различных интервалах применяют разного типа термометры, шкалы которых с помощью газовой шкалы приводятся к термодинамической шкале.

Существующая международная практическая шкала температур (МПТШ), практически совпадая с термодинамической, позволяет расширить ее в область очень высоких температур. Она отличается удобством и высокой точностью воспроизведения. МПТШ основана на шести воспроизводимых температурах (первичные постоянные точки), которым присвоены числовые значения в оС, а также на уравнениях, устанавливающих соотношение между температурой и показаниями приборов, эталонированных по этим точкам. Эти точки следующие:

Температура равновесия между жидким и газообразным кислородом при нормальном атмосферном давлении: -182,97оС;

Точка плавления льда 0,000оС;

Точка кипения воды 100,000оС;

Точка кипения серы 444,60оС;

Точка плавления серебра 960,5оС;

Точка плавления золота 1063,0оС.

В интервале 0-630оС температуру определяют по сопротивлению эталонного платинового термометра сопротивления с помощью формулы

Где Ro-сопротивление при 00 С, а постоянные А и В определяются эталонированием в точках кипения воды (1000 С) и серы - (444,6°). В интервале от 0 до -1830С температура определяется также по сопротивлению R эталонного платинового термометра сопротивления, но в этом случае используется формула

В которой A и В - те же, что и в предыдущем выражении, а постоянная С определена эталонированием термометра в точке кипения кислорода (-182,97° С).

В интервале 630-10630С температуру определяют по электродвижущей силе платинородий-платиновой термопары, свободные концы которой имеют температуру 0° С, а рабочий конец - температуру t. При этом используют интерполяционную формулу

В которой постоянные a, b и c определены для данной термопары эталонированием ее в точках плавления сурьмы, серебра (960,8) и золота (1063° С). Температура плавления применяемого образца сурьмы предварительно определяется эталонным термометром сопротивления.

Выше точки плавления золота температуру определяют по отношению спектральных плотностей излучения абсолютно черного тела, вытекающей из формулы Планка для излучения абсолютно черного тела.

Воспроизводимость МПТШ в интервале температур от 0 до 100оС составляет 0,001оС (для платинового термометра сопротивления), для термоэлектрического участка -0,1оС, на оптическом участке — 2-3оС.

Для обеспечения единства и точности измерения низких температур в области от тройной точки водорода 13,828К до точки кипения кислорода 90,17К, которая не охватывается МПТШ, используется практическая температурная шкала - ПТШ. В стандарте приведена таблица зависимости величины относительного электрического сопротивления Rt / Ro платины от величины температуры Т. Эта зависимость представляется таблично из-за невозможности ее выражения простой математической формулой. ПТШ в указанной области воспроизводится с помощью платиновых термометров сопротивления, градуированных по постоянным точкам: тройной точке водорода -13,828К, точке кипения водорода («равновесного») -20,2671 или («нормального») -20,3841, тройной точке кислорода -54,3531, точке кипения кислорода -90,17К и тройной точке воды -273,16К.

Для проведения измерений температуры необходимо иметь комплекс приборов, которые условно можно разделить на несколько элементов: 1) измерительный преобразователь температуры или термоприемник, частично или полностью находящийся в контакте с исследуемой средой и являющийся преобразователем температуры в иную физическую величину, подлежащую измерению. Важным элементом термоприемника, непосредственно воспринимающим и преобразующим тепловое воздействие, является термочувствительный элемент. 2) регистрирующий или регулирующий прибор, 3) элемент, передающий сигнал от термочувствительного элемента к регистрирующему прибору.

В термопарах термоприемником является непосредственно сама термопара, термочувствительным элементом — рабочий спай термопары, регистрирующим прибором — милливольтметр или потенциометр, передаточным элементом — соединительные и компенсационные провода.

В практике автоматического регулирования измерительный орган, преобразующий физическую величину, называется датчиком. Термины "измерительный преобразователь температуры", "термоприемник", "датчик температуры" являются синонимами.

Для измерения температуры тела его надо привести в тепловой контакт с термометром и дождаться установления теплового равновесия. Температура тела будет равна температуре термометра, находящегося в тепловом равновесии с этим телом.

Наиболее общий подход к оценке взаимодействия измерителя температуры и объекта исследования приводит к делению всех приборов на две группы: контактных и бесконтактных методов измерения. При использовании приборов первой группы приходится в той или иной степени принимать во внимание особенности теплообмена между объектом, приемным преобразователем и внешней средой. Трудности создания приборов, основанных на бесконтактных методах, связаны с необходимостью определения излучательной способности объекта (реальной степени черноты), что во многих случаях невозможно сделать достаточно точно.

К контактным методам измерения температуры относятся дилатометрический (основанный на линейном расширении твердых тел), метод термометра сопротивления (основанный на зависимости сопротивления проводников и полупроводников от температуры), термоэлектрический метод (основанный на зависимости термоэдс от температуры), термоиндикаторный (основанный на изменении цвета, фазового состояния, яркости свечения специальных покрытий) и др.

К бесконтактным методам относятся пирометрический, интерференционный, спектральный, фотометрический.

Трудности измерения температуры отчасти связаны со сложностью и многообразием физической сущности самого понятия температуры.

Приемные преобразователи контактных термоизмерителей.

К числу простейших измерителей температуры, которые применяются в исследовательской практике, относятся приборы механической группы, основанные на использовании теплового расширения газов или жидкостей. В газовом термометре измеряется давление, создаваемое определенным количеством газа при постоянном объеме. При надлежащем выборе рабочего вещества и достаточно низком давлении получается прибор, в принципе осуществляющий условия воспроизведения термодинамической шкалы.

Простейшим и наиболее распространенным термометром является жидкостный (ртутный или спиртовой), температура которого определяется по высоте столбика жидкости, находящейся в капиллярной стеклянной трубке с расширением на нижнем конце; с изменением температуры термометра изменяется объем, а, следовательно, и высота столбика жидкости.

В жидкостно-стеклянных термометрах применяется ртуть или другие вещества; ниже приводятся возможные пределы их применения (в °С):

Ртуть……………… от -30 до 700

Толуол………………. -90 — 100

Этиловый спирт…… -100 — 75

Петролейный спирт.. -130 — 25

Пентан…. ……………. -190 — 20

Показания жидкостно-стеклянного термометра зависят не только от изменения объема рабочей жидкости, но и от изменения объема стеклянного резервуара, поэтому для изготовления термометров применяются специальные сорта стекла с малым коэффициентом объемного расширения или плавленый кварц.

Наиболее точны и просты в обращении ртутные термометры, отличающиеся также равномерностью шкалы. Цена деления стандартных термометров обычно не менее 0,01 град; в специальных лабораторных термометрах возможны шкалы с ценой деления на один-два порядка меньше. Допустимая погрешность не превышает одного деления шкалы. Нижним пределом, ограничивающим применение ртути, является температура замерзания, равная -38,9°С. Температура кипения при атмосферном давлении (356,7 оС) не является предельной, так как для повышения верхнего предела пространство внутри термометра над ртутью может заполняться инертным газом под давлением.

Термометры с нертутным заполнением применяются в основном для измерения низких температур; инерционность их значительно больше ртутных из-за большей теплоемкости. Кроме того, органические жидкости смачивают стекло, что снижает точность отсчета уровня в капилляре. При использовании термометров приходится учитывать ряд факторов, приводящих к искажению показаний. Это, прежде всего, неравномерность температурного взаимодействия термометра с окружающими средами и, во-вторых, изменения внешнего и внутреннего давления.

Термосопротивление — это проводник, включенный в электрическую цепь и находящийся в состоянии теплообмена с окружающей средой. Его сопротивление зависит от температуры и определяется тепловым равновесием между проводником и средой. Теплообмен проводника с исследуемой средой может осуществляться конвекцией, теплопроводностью среды, теплопроводностью самого проводника и излучением.

Действие термометров сопротивления основано на известном свойстве металлов и сплавов изменять свое электрическое сопротивление в зависимости от температуры. В простейшем случае первичный преобразователь такого термометра представляет собой отрезок проводника, на концах которого укреплены выводы. С их помощью проводник включается в электрическую цепь. К материалам, применяемым в качестве терморезисторов, предъявляются прежде всего требования стабильности характеристики R=f(Т) и достаточно высокое значение температурного коэффициента сопротивления a, определяемого выражением

Для большинства чистых металлов при комнатной температуре температурный коэффициент приблизительно равно 4×10 -3 град -1. Для точных измерений температуры (до 0,01 град) электрическая схема измерения должна быть чувствительной к изменениям сопротивления в 0,004%. В некоторых случаях чувствительность термометров сопротивления позволяет измерять температуры с большей точностью (0,001 град).

Наибольшее распространение для изготовления преобразователей термометров сопротивления получили платина, медь, никель; известно использование железа, бронзы, пирографита, некоторых сплавов, а также полупроводников, изготовленных из смеси окислов различных металлов.

Наилучшим материалом является чистая платина, которая в широком диапазоне температур не вступает в химические реакции и чрезвычайно устойчиво сохраняет величину удельного сопротивления (приблизительно в пять раз большего, чем у меди, серебра или золота).

Незащищенные платиновые терморезисторы нельзя применять в восстановительных средах (продукты сгорания углерода, пары кремния, калия, натрия и т. п.) из-за загрязнения их поверхности при высоких температурах. Кроме того, использование таких терморезисторов ограничено распылением платины, прогрессивно возрастающим по мере повышения температуры; этот эффект тем слабее влияет на изменение электрического сопротивления, чем больше диаметр платиновой проволоки.

Платина - хороший катализатор многих термохимических реакций, поэтому при измерении температур газовых смесей, содержащих продукты неполного сгорания, возможно появление специфических погрешностей, вызванных выделением тепла на поверхности терморезистора. Для исключения каталитического эффекта платиновую проволоку покрывают позолотой, остекловывают или используют терморезисторы в защитных чехлах.

Кроме платиновых, серийно изготовляются также технические медные термометры сопротивления с номинальными значениями Ro = 53 и 100 Ом, предназначенные для работы в диапазоне температур от-50 до +180° С. В этом интервале температур электрическое сопротивление медных термометров определяется по формуле

Где a-температурный коэффициент, в среднем равный 4,26× 10 -3 град -1. При более высоких температурах медь окисляется; недостатком меди также является ее малое удельное сопротивление.

Для измерения температур ~300° С первым заменителем платины служит никель. Он имеет большое удельное сопротивление (~8×10 -2 Ом×мм 2 /м) и высокий температурный коэффициент a= 6,4× 10 -3 град -1, но при температуре 370° С в никеле происходит структурное преобразование, и функция R = f(Т) становится неоднозначной. До температуры ~1000 С может применяться железо (a = 6,5×10 -3 град-1).

В криогенной технике часто используется платиновый термометр сопротивления. При температурах ниже 60К коэффициент a, а, следовательно, и чувствительность платинового термометра резко уменьшаются. Однако применение аппаратуры, предназначенной для точных измерений очень малых сопротивлений, дает возможность отодвинуть предельные значения температур, доступных измерению платиновым термометром сопротивления, в сторону весьма низких значений (~4-5К).

Для измерений в области низких температур могут быть использованы также константан, манганин, фосфористая бронза и сплавы серебра с оловом.

При измерениях температур высокоскоростных газовых потоков находят применение вольфрамовые бескаркасные проволочные терморезисторы. Вольфрамовая проволока диаметром 10-15 мкм выдерживает динамическое давление сверхзвуковых потоков. Зависимость удельного сопротивления вольфрама от температуры близка к линейной. Однако с увеличением температуры происходит распыление и рекристаллизация вольфрама, поэтому вольфрамовые термометры сопротивления обычно применяются для измерения температур не выше 600о С.

В широком диапазоне температур от 0 до 2300К может применяться графит в виде пироуглерода различных модификаций или нити из волокнистых углеродистых структур. Полупроводниковые объемные терморезисторы изготовляются из смеси окислов или сульфидов различных металлов или редкоземельных элементов. Полупроводниковые терморезисторы обладают очень высоким значением отрицательного температурного коэффициента сопротивления, доходящим до 4 10-2-5 10 -2 град.-1 . Они выполняются весьма малогабаритными; известны полупроводниковые терморезисторы с диаметром чувствительного элемента менее 1мм. Такие измерители имеют малую инерционность и могут применяться для исследований нестационарных тепловых процессов.

Полупроводниковые термометры сопротивления обладают нелинейной зависимостью сопротивления от температуры, приближенно подчиняющейся экспоненциальному закону

(4.3)

Где АТ и В - коэффициенты, зависящие от физических свойств и геометрии полупроводника; при значительном изменении температуры коэффициент Ат - функция температуры и может считаться постоянным только в малых интервалах изменения Т. Существенным недостатком полупроводниковых терморезисторов является невысокая стабильность их характеристик, усиливающаяся с увеличением температуры; поэтому область их применения ограничивается температурами, не превышающими 300° С.

Рис. 2.

Наиболее широко полупроводниковые терморезисторы используются в криогенной технике. Из кристаллических полупроводников в низкотемпературной термометрии нашел применение германий с примесью мышьяка. Для защиты от повреждений такие термометры помещают в платиновые или стеклянные чехлы (рис. 2).

ТЕРМОИНДИКАТОРЫ

Термоиндикаторные вещества применяются во многих отраслях народного хозяйства для индикации температур и метрирования температурных полей поверхностей объектов, например, при доводке узлов и деталей, контроле оптимальных температур термообработки, закалки, определении перегревов оборудования и т. д.

Современные термоиндикаторы обладают большим разнообразием различающихся признаков. Классификация облегчает выбор необходимого термоиндикатора.

В основу положены следующие признаки:

1)принцип действия;

2)вид (форма);

3)физико-химические превращения, обуславливающие цвет;

4)количество температурных переходов;

5)зависимость цветоизменения от условия нагрева;

6)точность измерения температуры;

По принципу действия термоиндикаторы подразделяются на 4 основных типа: термохимические индикаторы, термоиндикаторы плавления, жидкокристаллические термоиндикаторы и люминесцентные термоиндикаторы.

Термохимические термоиндикаторы — это сложные вещества, которые при достижении определенной температуры резко изменяют свой цвет за счет химического взаимодействия компонентов.

Термоиндикаторы плавления изменяют свой цвет в результате плавления одного или нескольких компонентов, имеющих строго определенные температуры плавления.

Жидкокристаллические термоиндикаторы в определенном интервале температур переходят в жидкокристаллическое состояние, обладающее свойством при незначительном изменении температуры так изменять свою структуру, что падающий на них луч света разлагается и отражается с изменением цвета. При этом переходы твердых кристаллов в жидкие и жидких в изотропный расплав являются фазовыми переходами первого рода.

Люминесцентные термоиндикаторы — это разновидность люминофоров, которые в зависимости от температуры изменяют либо яркость, либо цвет свечения.

Термоиндикаторные вещества выпускаются в различных формах: карандаши, таблетки, термоиндикаторные устройства (этикетки и т. д.), краски, порошки. При этом выбор той или иной формы определяется целью и задачами измерения.

По своим физико-химическим превращениям термоиндикаторы подразделяются на три группы: обратимые, необратимые и квазиобратимые.

Таблица 1. Классификация термоиндикаторов

К Обратимым относятся термоиндикаторы, которые изменяя цвет при нагревании до температуры перехода или выше ее, восстанавливают первоначальную окраску при понижении температуры ниже критической.

Необратимыми являются такие, в которых при нагревании происходят необратимые процессы (химические или физические), в результате чего первоначальный цвет после последующего охлаждения не восстанавливается.

Квазиобратимыми называют термоиндикаторы, которые, изменяя свой цвет при нагревании до температуры перехода или выше, восстанавливают его при последующем понижении температуры постепенно под действием влаги. Они могут применяться многократно.

В зависимости от условий и целей исследования применяют цветовые, структурные и газовыделяющие термоиндикаторные вещества.

При измерении температуры на поверхности печей, камер сгорания, поверхности сопловых и рабочих лопаток газотурбинных двигателей и т. д., фактически требуется измерение температур не в отдельных точках, а распределение температур по поверхности. В этом случае однопозиционные термоиндикаторные вещества становятся практически непригодными. Визуализацию температурных полей могут обеспечить лишь многопозиционные цветовые термоиндикаторные вещества, которые имеют несколько критических температур в достаточно широком температурном интервале, или плавно меняют свой цвет в зависимости от температуры.

В зависимости от условий применения используют обратимые, необратимые или квазиобратимые термоиндикаторные вещества. Обратимые термоиндикаторные вещества применяются, когда необходимо непосредственно наблюдать температурное поле в процессе нагрева. Обратимые цветовые термоиндикаторные вещества можно применять при температурах до 497-527°С, поскольку при более высоких температурах цвет термоиндикаторных веществ может маскироваться собственным тепловым излучением. Необратимые и квазиобратимые цветовые термоиндикаторные вещества применяются в случае, когда необходимо исследование температурных полей в труднодоступных местах, например, для исследования газотурбинных двигателей.

С практической точки зрения важно, чтобы температуры цветовых переходов не зависели от условий нагрева. Примерами таких термоиндикаторных веществ являются однопозиционные термоиндикаторы плавления. Для таких типов термоиндикаторных веществ критические температуры зависят от времени индикации, давления и других особых условий. С целью исключения ошибок в измерении температуры необходимо пользоваться градуировочными кривыми. Большое влияние на температуры цветовых переходов цветовых термоиндикаторных веществ оказывает среда. Так, термоиндикаторные вещества "Термоколор" (Германия) пригодны для применения в среде водяного пара. Некоторые из этих термоиндикаторных веществ дают устойчивые показания в атмосфере углекислого газа и сероводорода. В средах оксида серы (IV) SO2 и аммиака NH3 успешно применяются карандаши "Термохром". Термоиндикаторные вещества фирмы "Детектотемп" и таблетки серии "R" фирмы Helling можно использовать в восстановительных средах.

Общие требования к цветовым термоиндикаторным веществам следующие:

1. Максимальное число критических температур в интересующем температурном интервале.

2. Высокотемпературные цветовые термоиндикаторные вещества должны иметь необратимые переходы.

3. Цветовые переходы должны быть четкими, а цвета цветовых зон — контрастными.

4. Критические температуры цветовых термоиндикаторных веществ должны быть либо независимы от режима нагрева и количественного и качественного состава окружающей среды, либо эти зависимости должны быть повторяющимися в пределах, по крайней мере, одной партии вещества.

5. Не должны взаимодействовать с материалом, в контакте с которым они находятся.

Эти требования показывают, что в настоящее время наиболее целесообразна разработка многопозиционных ТИВ.

Известно, что цвет веществ обусловлен электронными переходами в атомах между термами, причем окрашены те вещества, атомы которых переходят в возбужденное состояние при поглощении энергии 150-300 кДж/моль. Ванадийсодержащие соединения активно изменяют свою окраску в зависимости от температуры и условий окружающей среды вследствие изменения конфигурации электронной оболочки ванадиевых ионов.

Этим требованиям удовлетворяют ванадийсодержащие соединения, в частности, ванадиевые катализаторы и их отходы. Отходы производства ванадиевых катализаторов являются перспективными материалами, благодаря не только наличию ванадиевого компонента, но и наличию прочных высокотемпературных силикатных носителей (диатомит и др.), имеющих высокие адгезионные свойства на поверхности различных материалов.

Указанное позволяет предположить перспективность использования ванадиевых катализаторов и их отходов для получения на их основе многопозиционных цветовых термоиндикаторов, имеющих широкие пределы температурной индикации и большое число контрастных цветовых переходов.

В последние годы значительно усовершенствованы известные и разработаны оригинальные методики панорамной количественной диагностики температуры и теплообмена, использующие термооптические эффекты в жидких кристаллах (ЖК). Этот прогресс явился результатом как значительной модернизации аппаратных средств, разработки новых подходов к измерениям, так и создания новых ЖК материалов.

МЕТОД ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ ТЕРМОГРАФИИ (ЖКТ).

Для измерения температуры с помощью ЖК используется эффект селективного рассеяния света на периодической структуре одного из типов ЖК, который называется холестерическим. Основными характеристиками ЖК являются: динамический диапазон рабочих температур DT, зависимость длины волны l, селективного отражения света (цвета) от температуры. l=f(T) — цветотемпературная характеристика, а также температурная чувствительность Dl/DТ. Известны составы, имеющие динамический диапазон температур от 0.02 до 50° в области температур от -30 до 250°С.

В зависимости от оптической схемы регистрации и калибровки все методы измерения температур с помощью ЖК можно разделить на две группы: методы, использующие регистрацию сигнала интенсивности селективного отражения монохроматического света; и методы, использующие регистрацию и обработку полного цветового телевизионного сигнала.

К первым относятся спектрозональная фильтрация и метод полос. При высокой точности метод фильтрации требует значительной памяти и высокого быстродействия ПК. Недостатком данного подхода является также длительность его реализации и, как следствие, невозможность исследования нестационарных процессов. Чтобы преодолеть указанные трудности, разработан метод, названный методом полос, который для некоторых задач может быть использован в качестве альтернативы фильтрации.

Наиболее полно возможности ЖК реализуются при использовании информации о цвете. Как правило, для регистрации оптического отклика ЖК применяются видеокамеры с сенсором, работающим по принципу приборов с зарядовой связью, а также их миниатюрные модификации. Захват отдельных кадров осуществляется интерфейсами, с помощью которых аналоговый сигнал преобразуется в цифровую форму (красную, Red; зеленую, Green; и синюю, Blue, компоненты) и запоминается в видеобуфере. Процесс измерения цвета состоит в определении координат точки цвета на плоскости цветов в той или иной колориметрической системе координат. Поэтому все методы оцифровки ЖК-термограмм различаются в основном выбором базисной колориметрической системы. Линейная система RGB, принятая в цветном телевидении, является декартовой системой координат, построенной в соответствии с трехкомпонентной теорией цветного зрения. Поскольку ХЖК отражают чистые спектральные цвета, эта модель не является идеальной для точной идентификации цвета. Поэтому для измерения цвета было предложено использовать нелинейную систему HSI, в которой цвет определяется по цветовому тону (Н), насыщенности (S) и интенсивности (I), а алгоритм преобразования RGB®HSI достаточно прост.

Цветовой тон в отличие от координат R, G, В монотонно изменяется с температурой, и данная зависимость может быть использована для калибровки и измерения температуры. Рабочий диапазон Н составляет от (10…40) до (220…250)°. Область пурпурных цветов находится в диапазоне Н=240-360° (область неопределенности цветового тона). Установлено, что калибровочная зависимость Н(Т) является достаточно устойчивой к неравномерности освещенности по полю изображения, диаметру апертуры диафрагмы, что является одним из преимуществ базиса HSI для цифровой обработки в ЖК термометрии.

Уникальные оптические свойства ХЖК, усовершенствованные экспериментальные методы и цифровая обработка видеоизображений позволяют осуществить как панорамную визуализацию, так и измерение распределения температур на поверхности при до-, сверх — и гиперзвуковых скоростях потока. Разработанные подходы применимы к широкому кругу задач исследования теплообмена и тонкой структуры течений, теплового контроля или контроля положения модели в потоке, в том числе некоторых нестационарных режимов.

Применение тепловизионной техники

Инфракрасное излучение является низкоэнергетическим и для глаза человека невидимо, поэтому для его изучения созданы специальные приборы — тепловизоры (термографы), позволяющие улавливать это излучение, измерять его и превращать его в видимую для глаза картину. Тепловизоры относятся к оптико-электронным приборам пассивного типа. В них невидимое глазом человека излучение переходит в электрический сигнал, который подвергается усилению и автоматической обработке, а затем преобразуется в видимое изображение теплового поля объекта для его визуальной и количественной оценки.

Диапазон инфракрасного излучения делится на несколько фрагментов:

Длина Волны (мкм) Название

0.76-1.5 Ближнее инфракрасное Излучение

1.5-5.5 Коротковолновое инфракрасное излучение

5.6-25 Длинноволновое инфракрасное излучение

25-100 Дальнее инфракрасное излучение

Первые тепловизионные системы были созданы в конце 30-х гг. 20 в. и частично применялись в период 2-й мировой войны для обнаружения военных и промышленных объектов.

Общий принцип устройства всех тепловизоров следующий:

Инфракрасное излучение концентрируется системой специальных линз и попадает на фотоприемник, который избирательно чувствителен к определенной длине волны инфракрасного спектра. Падающее на него излучение приводит к изменению электрических свойств фотоприемника, что регистрируется и усиливается электронной схемой. Полученный сигнал подвергается цифровой обработке, и это значение передается на блок отображения информации. Блок отображения информации имеет цветовую палитру, в которой каждому значению сигнала присваивается определенный цвет. После этого на экране монитора появляется точка, цвет которой соответствует численному значению инфракрасного излучения, которое попало на фотоприемник. Сканирующая система (зеркала или полупроводниковая матрица) проводит последовательный обход всех точек в пределах поля видимости прибора и в результате мы получаем видимую картину инфракрасного излучения объекта. Чувствительность детектора к тепловому излучению тем выше, чем ниже его собственная температура, поэтому его помещают в специальное устройство — «холодильник». Наиболее примитивный, неудобный и самый распространенный вид охлаждения — с помощью жидкого азота. Это позволяет охладить детектор до низких температур, но носить с собой сосуды дьюара очень неудобно. Другой вид охлаждения — посредством элементов Пельтье (полупроводники, дающие перепад температур (тепловой насос) при пропускании через них тока). Есть еще один вид "неохлаждаемых тепловизоров", работающих по другому принципу, но характеристики их пока заметно хуже, зато они намного мобильнее.

Таким образом, на экране тепловизора мы видим значения мощности инфракрасного излучения в каждой точке поля зрения тепловизора, отображенные согласно заданной цветовой палитре (черно-белой или цветной).

Высокая чувствительность тепловизоров реализуется благодаря наличию высокочувствительных полупроводниковых приемников излучения из антимонида индия InSb, ртуть-кадмий-теллура Hg-Cd-Te и др.

Области применения методов тепловидения

Тепловидение нашло применение во многих сферах человеческой деятельности. Например, тепловизоры применяются в целях военной разведки и охраны объектов. В ручной тепловизионный ночной визир человека можно увидеть в полной темноте на расстоянии 300 м. Объекты обычной военной техники видны на расстоянии 2-3 км. На сегодняшний день созданы видеокамеры данного микроволнового диапазона с выводом изображения на экран компьютера, чувствительностью (разрешающей способностью) отдельных участков поверхности в несколько сотых градуса.

Перспективно использование тепловизоров для нахождения дефектов в различных установках. Естественно, когда в какой-нибудь установке или узле наблюдается повышение или понижение тепловыделения при каком-нибудь процессе в местах, где этого не должно быть, или тепловыделение (теплопоглощение) в подобных узлах сильно различается, то неполадку можно своевременно исправить. Иногда некоторые дефекты можно заметить только с помощью тепловизора. Например, на мостах и тяжелых опорных конструкциях при старении металла или нерасчетных деформациях начинает выделяться больше энергии, чем должно. Появляется возможность диагностировать состояние объекта, не нарушая его целостности, хотя могут возникнуть трудности, связанные с не очень высокой точностью, вызванной наличием промежуточных конструкций.

Таким образом, тепловизор можно использовать как оперативный и, пожалуй, единственный контроллер состояния безопасности многих объектов и предотвращать катастрофы. Проверка функционирования дымоходов, вентиляции, процессов тепло — и массообмена, атмосферных явлений становится на порядок удобнее, проще, информативнее.

Широкое применение тепловидение нашло в медицине.

Применение тепловидения в медицине

В современной медицине тепловизионное обследование представляет мощный диагностический метод, позволяющий выявлять такие патологии, которые плохо поддаются контролю другими способами. Тепловизионное обследование служит для диагностики на ранних стадиях (до рентгенологических проявлений, а в некоторых случаях задолго до появления жалоб больного) следующих заболеваний: воспаление и опухоли молочных желез, органов гинекологической сферы, кожи, лимфоузлов, ЛОР-заболевания, поражения нервов и сосудов конечностей, варикозное расширение вен; воспалительные заболевания желудочно-кишечного тракта, печени, почек; остеохондроз и опухоли позвоночника. Как абсолютно безвредный прибор, тепловизор эффективно применяется в акушерстве и педиатрии.

У здорового человека распределение температур симметрично относительно средней линии тела. Нарушение этой симметрии и служит основным критерием тепловизионной диагностики заболеваний. По участкам тела с аномально высокой или низкой температурой можно распознать симптомы более 150 болезней на самых ранних стадиях их возникновения.

Термография - метод функциональной диагностики, основанный на регистрации инфракрасного излучения человеческого тела, пропорционального его температуре. Распределение и интенсивность теплового излучения в норме определяются особенностью физиологических процессов, происходящих в организме, в частности, как в поверхностных, так и в глубоких органах. Различные патологические состояния характеризуются термоасимметрией и наличием температурного градиента между зоной повышенного или пониженного излучения и симметричным участком тела, что отражается на термографической картине. Этот факт имеет немаловажное диагностическое и прогностическое значение, о чем свидетельствуют многочисленные клинические исследования.

Выделяют два основных вида термографии:

1 .Контактная холестерическая термография.

2.Телетермография.

Телетермография основана на преобразовании инфракрасного излучения тела человека в электрический сигнал, который визуализируется на экране тепловизора.

Контактная холестерическая термография опирается на оптические свойства холестерических жидких кристаллов, которые проявляются изменением окраски в радужные цвета при нанесении их на термоизлучающие поверхности. Наиболее холодным участкам соответствует красный цвет, наиболее горячим- синий. Нанесенные на кожу композиции жидких кристаллов, обладая термочувствительностью в пределах 0.001о С, реагируют на тепловой поток путем перестройки молекулярной структуры.

Существуют визуальный и количественный способы интерпретации термографического изображения.

Визуальная (качественная) оценка термографии позволяет определить расположение, размеры, форму и структуру очагов повышенного излучения, а также ориентировочно оценивать величину инфракрасной радиации. Однако при визуальной оценке невозможно точное измерение температуры. Кроме того, сам подъем кажущейся температуры в термографе оказывается зависимым от скорости развертки и величины поля. Затруднения для клинической оценки результатов термографии заключаются в том, что подъем температуры на небольшом по площади участке оказывается малозаметным. В результате небольшой по размерам патологический очаг может не обнаруживаться.

Радиометрический подход весьма перспективен. Он предполагает использование самой современной техники и может найти применение для проведения массового профилактического обследования, получения количественной информации о патологических процессах в исследуемых участках, а также для оценки эффективности термографии.

Некоторые применения тепловизионных устройств в промышленности

Энергетика

— состояние дымовых труб и газоходов

— состояние статоров генераторов

— проверка маслонаполненного оборудования теплоизоляция турбин, паро — и трубопроводов

— обнаружение мест присосов холодного воздуха

— контроль состояния теплотрасс

Нефтегазовый комплекс

— проверка состояния электрооборудования

— контроль технологических линий

— поиск энергопотерь

— обнаружение утечек из газопроводов предотвращение пожаров

Энергосбережение

— диагностика ограждающих конструкций

— обнаружение теплопотерь во внутренних помещениях и снаружи зданий и сооружений

— определение теплоизоляционных свойств материалов

Химическая промышленность

Проверка герметичности и изоляции емкостей для хранения различных жидкостей и газов

Машиностроение

Контроль подшипников, зубчатых передач, валов, муфт и т. д.

Обнаружение несоосности оборудования

Контроль температурных режимов сварки

Термоэластический анализ напряжений

Микроэлектроника

Контроль качества сборки печатных плат

Автомобильная промышленность

Проектирование климатических систем автомобиля

Контроль за ультразвуковой сваркой амортизаторов

Разработка и проверка дисковых тормозов

Контроль теплообменных процессов в радиаторах, двигателях и выхлопных системах.

Механические термометры основаны на явлении теплового расширения тел. Эти тела могут быть твердыми, жидкими или газообразными.

Механические термометры отличаются надежностью, точностью, низкой стоимостью и простотой обслуживания. Считывание показаний с них, как правило, осуществляется на месте измерения.

В машиностроении применяют биметаллические, жидкостные и газовые термометры.

В биметаллических термометрах чувствительный элемент изготавливается из пластины, состоящей из двух или более слоев разнородных металлов, сваренных между собой по всей плоскости соприкосновения. Пластина может быть предварительно деформирована.

При нагреве биметаллической пластины из-за различия коэффициентов линейного расширения ее слоев возникает деформация изгиба, пропорциональная изменению температуры.

Рис. 6.1. Биметаллические измерительные преобразователи температуры

Варианты а и б используются в качестве реле температуры, в и г - для непосредственно­го отсчета показаний термометров. Для этого один конец чувствительного элемента закрепляется, а второй соединяется с передаточным или непосредственно с показывающим устройством. Диапазон измерения биметаллических термометров лежит в интервале от -50 до 600 °С. Погрешность измерения- от ±1 до ±3%.

В жидкостных термометрах измеряемой величиной, характеризующей температуру, является изменение объема термометрической жидкости. Термобаллон, в котором находится основная часть жидкости, изготавливается из стекла или стали. К термобаллону подключен капилляр диаметром 0,1... 0,2 мм. В качестве жидкости используется этиловый спирт, ртуть и толуол. Погрешность измерений от ±2% до ±0,5%.

Основными недостатками механических термометров являются значительная инерционность и сложность объединения с другими информационными сигналами для дальнейшей обработки.

Электрические контактные термометры подразделяются на две группы:

· термометры сопротивления;

· термоэлектрические термометры (термопары).

В термометрах сопротивления при изменении температуры изменяется активное сопротивление чувствительного элемента.

У металлических проводников сопротивление обычно возрастает с повышением температуры, а у полупроводниковых - падает.

Чаще всего применяются платиновые или медные термометры сопротивления.

Область применения технических платиновых термометров 260... 1100°С.

Медные термометры могут работать в интервале температур от 50 до 200 °С.

Погрешность металлических термометров сопротивления в зависимости от исполнения составляет от ±0,5% до ±3%

Полупроводниковые термометры сопротивления выпускаются для измере­ния температуры в диапазоне от 200 до 300 °С.

Погрешность полупроводниковых термометров сопротивления 0,5%. За счет специального отбора и индивидуальной градуировки можно снизить погрешность полупроводниковых термометров сопротивления до ±0,01 °С

Рис. 6.2. - Схема измерительной цепи термометра сопротивления

Три плеча моста составляют манганиновые резисторы R1, R2 и RЗ. Четвертое плечо состоит из преобразователя термометра RК и подгоночных резисторов (на схеме не показанных). Последовательное соединение каждого из подводящих проводов соответственно с резисторами R1 и RЗ позволяет автоматически компенсировать влияние колебаний их температуры на результат измерения. Показания логометра, рамки которого. 1 и 2 подключены к двум точкам моста непосредственно и к одной через резистор R4, пропорциональны изменению сопротивления преобразователя температуры RК.

Принцип действия термоэлектрического термометра (термопары) основан на термоэлектрическом явлении, в результате которого в цепи, состоящей из двух разнородных проводников, возникает термо-э.д.с, зависящая от температуры в местах соединений этих проводников.

Для измерения температуры одно из соединений разнородных проводников (рабочие концы) помещают в среду, температуру которой измеряют, а температура другого соединения (свободных концов) известна. Свободные концы термоэлектрического термометра нужно располагать в месте, удобном для стабилизации или измерения температуры.

Зависимость между термо-э.д.с. и разностью температур рабочих и свобод­ных концов в общем случае является нелинейной и может быть аппроксимирована уравнением третьей степени. Если сузить диапазон измеряемых температур, то характеристики многих термопар могут быть линеаризированы без большого ущерба для точности измерений.

Рис. 6.3. – Характеристика наиболее употребительных

термоэлектрических преобразователей:

1 – хомель – копель; 2 – железо – константан;

3 – хромель - алюмель; 4 – платинородий – платина

таблица 6.1

Характеристики термоэлектрических преобразователей

Все нестандартные средства измерения температур требуют индивидуальной градуировки. Примером является измерение температуры в зоне резания естественной термопарой . Точность измерений 7-10%.

Рис. 6.4. – Схема комбинированного тарирования естественной термопары:

а – схема установки; б – тарировочный график

Рис. 6.5. – Схема однорезцовой естественной термопары

Рис. 6.6. – Схема полуискусственной термопары

Полуискусственная термопара может быть получена и при установке одного из проводников в шлифовальный инструмент. Между двумя плотно притертыми друг к другу половинками шлифовального круга 4 и 2 укладывается фольга 3 толщиной 0,01...0,05 мм, которая образует с деталью 1 полуискусственную термопару с тонким спаем, равным по длине ширине зоны шлифования (1,5...3 мм).

Сигнал термопары, соответствующий средней температуре зоны контакта, через ртутный токосъемник 5 попадает в усилитель 6 и затем в регистрирующий прибор 7. Преимуществом такой термопары является непрерывность и устойчивость сигнала.

Бесконтактные методы измерения температуры

Поверхность всякого нагретого тела испускает электромагнитное излучение. Приборы, которые могут по тепловому излучению определять температуру излучателя, называются пирометрами. При помощи оптики излучение нагретого тела фокусируется и направляется на приемник.

Различают следующие виды приемников теплового излучения: термопары, термометры сопротив­ления, фотоэлементы, фоторезисторы, фотодиоды и фототранзисторы.

Пирометрические оптические устройства создают изображение излучаю­щей поверхности (или ее участка) на приемнике и тем самым делают измере­ние потока излучения в широком диапазоне независимым от расстояния до изучаемого объекта.

Рис. 6.7. – схема фотоэлектрического цветового пирометра

Излучение от объекта исследования 1 линзой 2 фокусируется на обтюраторе 3, который вращается синхронным электродвигателем 4, и затем воспринимается фотоэлементом 5. На диске обтюратора имеется ряд отверстий, половина которых закрыта красным свето­фильтром, а половина - синим. Таким образом, на фотоэлемент поочередно попадают то красные, то синие лучи. Кроме того, благодаря отверстиям фототок оказывается промодулированным с несущей частотой, определяемой числом отверстий в обтюраторе и частотой вращения последнего. Модулированный ток в нагрузке фотоэлемента через усилитель 6, который снабжен устройством 7 для автоматической регулировки чувствительности, поступает в фазочузствительный выпрямитель 8. После этого с помощью коммутатора 9 сигнал разделяется соответственно отношению интенсивностей красных и синих лучей и воспринимается измерителем отношения 10.

Фотоэлектрические цветовые пирометры могут обеспечить измерение температуры с погрешностью, не превышающей 1 %

Инфракрасные пирометры компании RAYTEK позволяют измерять температуру в диапазоне от – 50°С до + 3000°С на больших расстояниях и применяются во всех отраслях промышленности.

Основные области применения:

· Производственные процессы

· Техническое обслуживание и диагностика

· Безопасность и защита

· Производство сталей и сплавов

· Целлюлозно-бумажная промышленность

· Производство пластмасс, стекла

· Пищевая промышленность

· Энергетика

· Неисправности электрических цепей

· Диагностика двигателей, редукторов, подшипников

· Диагностика систем зажигания и охлаждения

· Местонахождение воспламенений

· Контроль опасных материалов

· Поисково-спасательные работы

Рис. 6.8. - Портативные инфракрасные пирометры

Инфракрасные пирометры используются для диагностики производственного оборудования.

Рис. 6.9. - Поиск неисправности обмотки и контактных соединений

Рис. 6.10. - Проверка движущихся деталей на предмет износа и смазки

Рис.6.11. - Оценка степени износа подшипников до их полного повреждения

Рис. 6.12. - Диагностика двигателя автомобиля

Волоконно-оптические пирометры специально предназначены для проведения измерений в неблагоприятных условиях вторичной зоны охлаждения.

Рис. 6.13. – Внешний вид волоконно-оптических пирометров

Армированная оплетка с воздушным охлаждением защищает волоконно-оптический кабель от загрязнения и перегрева. Объектив, размещенный в корпусе из нержавеющей стали, можно приблизить к заготовке на расстояние до нескольких сантиметров.

Рис. 6.14. - Тепловизоры

Рис. 6.15. - Обнаружительные тепловизоры (охрана)

Цветовые индикаторы температуры (термоиндикаторы) - это вещества, изменяющие свой цвет в зависимости от температуры. По принципу действия термоиндикаторы подразделяются на четыре основных типа: термохимические; плавления; жидкокристаллические; люминесцентные.

Термохимические индикаторы - сложные вещества, которые при достижении определенной температуры резко изменяют свой цвет за счет химического взаимодействия компонентов. Они обеспечивают точность измерения температуры в пределах от 5 до 10 °С.

Термоиндикаторы плавления изменяют цвет в результате плавления одного или нескольких их компонентов, имеющих строго определенную температуру плавления. Погрешность измерения температуры этими индикаторами составляет 0,5... 1,5,. реже 2,5%.

Жидкокристаллические термоиндикаторы - вещества, которые в определенном интервале температур переходят в жидкокристаллическое состояние, обладающие свойством при незначительном изменении температуры так изменять свою структуру, что падающий на них луч света разлагается и отражается с изменением цвета.

Люминесцентные термоиндикаторы в зависимости от температуры изменяют либо яркость, либо цвет, либо цветовой тон излучения.

Погрешность измерения температуры термоиндикаторами двух последних типов составляет 0,1...0,5%.

По способности к физико-химическим превращениям термоиндикаторы делятся на три группы:

· Обратимые;

· Необратимые;

· Квазиобратимые.

К обратимым относятся термоиндикаторы, которые, изменяя цвет после нагревания восстанавливают первоначальный цвет при понижении температуры ниже критической. Такие термоиндикаторы можно использовать многократно.

Необратимые индикаторы указанным свойством не обладают, и их первоначальный цвет после охлаждения не восстанавливается. Квазиобратимые термоиндикаторы восстанавливают первоначальный цвет при понижении температуры постепенно, под воздействием влаги, имеющейся в воздухе. Их также можно использовать многократно.

Термоиндикаторы плавления являются только необратимыми, а жидко­кристаллические и люминесцентные-- обратимыми. Термохимические индикаторы могут быть обратимыми, необратимыми и квазиобратимыми.

Термоиндикаторы наносятся на поверхность объекта исследования в виде тонкой пленки.

Для определения значения температуры какого-либо тела необходимо выбрать эталон температуры, то есть тело, которое при определённых условиях, равновесных и достаточно легко воспроизводимых, имело бы определённое значение температуры. Это значение температуры является реперной точкой соответствующей шкалы температур - упорядоченной последовательности значений температуры, позволяющей количественно определять температуру того или иного тела. Температурная шкала позволяет косвенным образом определять температуру тела путем прямого измерения какого-либо его физического параметра, зависящего от температуры.

Наиболее часто при получении шкалы температур используются свойства вода. Точки таяния льда и кипения воды при нормальном атмосферном давлении выбраны в качестве реперных точек в современных (но не обязательно изначальных) температурных шкалах, предложенных Андерсом Цельсием (1701 - 1744), Рене Антуаном Фершо Реомюром (1683 - 1757), Даниэлем Габриэлем Фаренгейтом (1686 - 1736). Последний создал первые практически пригодные спиртовой и ртутный термометры, широко используемые до сих пор. Температурные шкалы Реомюра и Фаренгейта применяют в настоящее время в США, Великобритании и некоторых других странах.

Введенную в 1742 году температурную шкалу Цельсия, который предложил температурный интервал между температурами таяния льда и кипения воды при нормальном давлении (1 атм или 101 325 Па) разделить на сто равных частей (градусов Цельсия), широко используют и сегодня, правда в уточненном виде, когда один градус Цельсия считается равным одному кельвину (см. ниже). При этом температура таяния льда берется равной 0 oC, а температура кипения воды становится приблизительно равной 99,975 oC. Возникающие при этом поправки, как правило, не имеют существенного значения, так как большинство используемых спиртовых, ртутных и электронных термометров не обладают достаточной точностью (поскольку в этом обычно нет необходимости). Это позволяет не учитывать указанные, очень небольшие поправки.

После введения Международной системы единиц (СИ) к применению рекомендованы две температурные шкалы. Первая шкала - термодинамическая, которая не зависит от свойств используемого вещества (рабочего тела) и вводится посредством цикла Карно. Эта температурная шкала подробно рассмотрена в третьей главе. Отметим только, что единицей измерения температуры в этой температурной шкале является один кельвин (1 К), одна из семи основных единиц в системе СИ. Эта единица названа в честь английского физика Уильяма Томсона (лорда Кельвина) (1824 - 1907), который разрабатывал эту шкалу и сохранил величину единицы измерения температуры такой же, как и в температурной шкале Цельсия. Вторая рекомендованная температурная шкала - международная практическая. Эта шкала имеет 11 реперных точек - температуры фазовых переходов ряда чистых веществ, причём значения этих температурных точек постоянно уточняются. Единицей измерения температуры в международной практической шкале также является 1 К.

В настоящее время основной реперной точкой, как термодинамической шкалы, так и международной практической шкалы температур является тройная точка воды. Эта точка соответствует строго определенным значениям температуры и давления, при которых вода может одновременно существовать в твердом, жидком и газообразном состояниях. Причем, если состояние термодинамической системы определяется только значениями температуры и давления, то тройная точка может быть только одна. В системе СИ температура тройной точки воды принята равной 273,16 К при давлении 609 Па.

Кроме задания реперных точек, определяемых с помощью эталона температуры, необходимо выбрать термодинамическое свойство тела, описывающееся физической величиной, изменение которой является признаком изменения температуры или термометрическим признаком. Это свойство должно быть достаточно легко воспроизводимо, а физическая величина - легко измеряемой. Измерение указанной физической величины позволяет получить набор температурных точек (и соответствующих им значений температуры), промежуточных по отношению к реперным точкам.

Тело, с помощью измерения термометрического признака которого осуществляется измерение температуры, называется термометрическим телом.

Термометрическими признаками могут быть изменения: объёма газа или жидкости, электрического сопротивления тел, разности электрического потенциала на границе раздела двух проводящих тел и т.д. Соответствующие этим признакам приборы для измерения температуры (термометры) будут: газовый и ртутный термометры, термометры, использующие в качестве датчика термосопротивление или термопару.

Приводя термометрическое тело (датчик термометра) в состояние теплового контакта с тем телом, температуру которого необходимо измерить, можно на основании нулевого начала термодинамики утверждать, что по прошествии времени, достаточного для установления термодинамического равновесия, их температуры сравняются. Это позволяет приписать телу то же значение температуры, которое показывает термометр.

Другой метод измерения температуры реализован в пирометрах - приборах для измерения яркостной температуры тел по интенсивности их теплового излучения. При этом достигается равновесное состояние термодинамической системы, состоящей из самого пирометра и теплового излучения, принимаемого им. Подробнее это явление рассмотрено в разделе курса, посвящённом квантовым свойствам равновесного теплового излучения. Сейчас мы только отметим, что оптическая пирометрия (бесконтактные методы измерения температур) используется в металлургии для измерения температуры расплава и проката, в лабораторных и производственных процессах, где необходимо измерение температуры нагретых газов, а также при исследованиях плазмы.

Первый термометр был изобретён Галилео Галилеем (1564 - 1642) и представлял собой газовый термометр.

Газовый термометр постоянного объёма состоит из термометрического тела - порции газа, заключенной в сосуд, соединенный с помощью трубки с манометром. Измеряемая физическая величина (термометрический признак), обеспечивающая определение температуры, - давление газа при некотором фиксированном объёме. Постоянство объёма достигается тем, что вертикальным перемещением левой трубки уровень в правой трубке манометра доводится до одного и того же значения (опорной метки) и в этот момент производится измерения разности высот уровней жидкости в манометре. Учет различных поправок (например, теплового расширения стеклянных деталей термометра, адсорбции газа и т.д.) позволяет достичь точности измерения температуры газовым термометром постоянного объема, равной одной тысячной кельвина.

Газовые термометры имеют то преимущество, что температура, определяемая с их помощью, при малых плотностях газа не зависит от природы используемого газа, а шкала газового термометра - хорошо совпадает с абсолютной шкалой температур (о ней подробно будет сказано ниже). Во второй главе мы подробнее опишем идеально-газовый термометр, определяющий абсолютную шкалу температур.

Газовые термометры используют для градуировки других видов термометров, например, жидкостных. Они более удобны на практике, однако, шкала жидкостного термометра, проградуированного по газовому, оказывается, как правило, неравномерной. Это связано с тем, что плотность жидкостей нелинейным образом зависит от их температуры.

Жидкостной термометр - это наиболее часто используемый в обыденной жизни термометр, основанный на изменении объёма жидкости при изменении её температуры. В ртутно-стеклянном термометре термометрическим телом является ртуть, помещенная в стеклянный баллон с капилляром. Термометрическим признаком является расстояние от мениска ртути в капилляре до произвольной фиксированной точки. Ртутные термометры используют в диапазоне температур от -35 oC до нескольких сотен градусов Цельсия. При высоких температурах (свыше 300 oC) в капилляр накачивают азот (давление до 100 атм или 107 Па), чтобы воспрепятствовать кипению ртути. Применение в жидкостном термометре вместо ртути таллия позволяет существенно понизить нижнюю границу измерения температуры до -59 oC.

Другими видами широко распространённых жидкостных термометров являются спиртовой (от -80 oC до +80 oC) и пентановый (от -200 oC до +35 oC). Отметим, что воду нельзя применять в качестве термометрического тела в жидкостном термометре: объём воды с повышением температуры сначала падает, а потом растёт, что делает невозможным использование объема воды в качестве термометрического признака.

С развитием измерительной техники, наиболее удобными техническими видами термометров стали те, в которых термометрическим признаком является электрический сигнал. Это термосопротивления (металлические и полупроводниковые) и термопары.

В металлическом термометре сопротивления измерение температуры основано на явлении роста сопротивления металла с ростом температуры. Для большинства металлов вблизи комнатной температуры эта зависимость близка к линейной, а для чистых металлов относительное изменение их сопротивления при повышении температуры на 1 К (температурный коэффициент сопротивления) имеет величину близкую к 4*10-3 1/К. Термометрическим признаком является электрическое сопротивление термометрического тела - металлической проволоки. Чаще всего используют платиновую проволоку, а также медную проволоку или их различные сплавы. Диапазон применения таких термометров от водородных температур (~20 К) до сотен градусов Цельсия. При низких температурах в металлических термометрах зависимость сопротивления от температуры становится существенно нелинейной, и термометр требует тщательной калибровки.

В полупроводниковом термометре сопротивления (термисторе) измерение температуры основано на явлении уменьшения сопротивления полупроводников с ростом температуры. Так как температурный коэффициент сопротивления полупроводников по абсолютной величине может значительно превосходить соответствующий коэффициент металлов, то и чувствительность таких термометров может значительно превосходить чувствительность металлических термометров.

Специально изготовленные полупроводниковые термосопротивления могут быть использованы при низких (гелиевых) температурах порядка нескольких кельвин. Однако следует учитывать то, что в обычных полупроводниковых сопротивлениях возникают дефекты, обусловленные воздействием низких температур. Это приводит к ухудшению воспроизводимости результатов измерений и требует использования в термосопротивлениях, специально подобранных полупроводниковых материалов.

Другой принцип измерения температуры реализован в термопарах. Термопара представляет собой электрический контур, спаянный из двух различных металлических проводников, один спай которых находится при измеряемой температуре (измерительный спай), а другой (свободный спай) - при известной температуре, например, при комнатной температуре. Из-за разности температур спаев возникает электродвижущая сила (термо-ЭДС), измерение которой позволяет определять разность температур спаев, а, следовательно, температуру измерительного спая.

В таком термометре термометрическим телом является спай двух металлов, а термометрическим признаком - возникающая в цепи термо-ЭДС. Чувствительность термопар составляет от единиц до сотен мкВ/К, а диапазон измеряемых температур от нескольких десятков кельвин (температуры жидкого азота) до полутора тысяч градусов Цельсия. Для высоких температур применяются термопары из благородных металлов. Наибольшее применение нашли термопары на основе спаев следующих материалов: медь-константан, железо-константан, хромель-алюмель, платинородий-платина.

Следует отметить, что термопара способна измерить только разность температур измерительного и свободного спаев. Свободный спай находится, как правило, при комнатной температуре. Поэтому для измерения температуры термопарой необходимо использовать дополнительный термометр для определения комнатной температуры или систему компенсации изменения температуры свободного спая.

В радиотехнике часто применяют понятие шумовой температуры, равной температуре, до которой должен быть нагрет резистор, согласованный с входным сопротивлением электронного устройства, чтобы мощность тепловых шумов этого устройства и резистора были равными в определенной полосе частот. Возможность введения такого понятия обусловлена пропорциональностью средней мощности шума (среднего квадрата шумового напряжения на электрическом сопротивлении) абсолютной температуре сопротивления. Это позволяет использовать шумовое напряжение в качестве термометрического признака для измерения температуры. Шумовые термометры используются для измерения низких температур (ниже нескольких кельвинов), а также в радиоастрономии для измерения радиационной (яркостной) температуры космических объектов

Введение

Глава 1. Основные положения и понятия

1 Понятие о температуре и об устройствах измерения температур

1.2 Температурные шкалы

3 Международная температурная шкала

Глава 2. Методы измерения температуры

2.1 Контактный метод измерения температуры

2 Бесконтактный метод измерения температуры

3 Люминесцентные методы измерения температуры

Заключение

Список литературы

Введение

Высокопроизводительная, экономичная и безопасная работа различных технологических агрегатов требует применения современных методов и средств измерения величин, характеризующих ход производственного процесса и состояние оборудования.

Основными параметрами (величинами), которые необходимо контролировать при работе агрегатов, является температура различных сред; расход, давление, состав газов и жидкостей; состав металлов; геометрические размеры проката. Автоматическими приборами измеряется температура: в рабочих пространствах металлургических печей, выплавляемого и нагреваемого металла, элементов огнеупорной кладки, конструкции регенераторов и рекуператоров, а так же продуктов сгорания топлива.

Температура является одним из важнейших параметров технологических процессов. Она обладает некоторыми принципиальными особенностями, что обусловливает необходимость применения большого количества методов и технических средств для ее измерения.

.Основные положения и понятия

1 Понятие о температуре и об устройствах измерения температур

Температурой называют величину, характеризующую тепловое состояние тела. Температура может быть определена как параметр теплового состояния. Значение этого параметра обусловливается средней кинетической энергией поступательного движения молекул данного тела. При соприкосновении двух тел, например газообразных, переход тепла от одного тела к другому будет происходить до тех пор, пока значения средней кинетической энергии поступательного движения молекул этих тел не будут равны. С изменением средней кинетической энергии движения молекул тела изменяется степень его нагретости, а вместе с тем изменяются также физические свойства тела. При данной температуре кинетическая энергия каждой отдельной молекулы тела может значительно отличаться от его средней кинетической энергии. Поэтому понятие температуры является статистическим и применимо только к телу, состоящему из достаточно большого числа молекул; в применении к отдельной молекуле оно бессмысленно.

К пространству со значительно разреженной материей статистические законы неприменимы. Температура в этом случае определяется мощностью потоков лучистой энергии, пронизывающей тело, и равна температуре абсолютно черного тела с такой же мощностью излучения. Известно, что с развитием науки и техники понятие «температура» расширяется. Например, при исследованиях высокотемпературной плазмы было введено понятие «электронная температура», характеризующее поток электронов в плазме.

Возможность измерять температуру термометром основывается на явлении теплового обмена между телами с различной степенью нагретости и на изменении термометрических (физических) свойств веществ при нагревании. Следовательно, для создания термометра и построения температурной шкалы, казалось бы, возможно выбрать любое термометрическое свойство, характеризующее состояние того или иного вещества и на основании его изменений построить шкалу температур. Однако сделать такой выбор не так легко, так как термометрическое свойство должно однозначно изменяться с изменением температуры, не зависеть от других факторов и допускать возможность измерения его изменений сравнительно простым и удобным способом. В действительности нет ни одного термометрического свойства, которое бы в полной мере могло удовлетворить этим требованиям во всем интервале измеряемых температур.

На примере ртутного и спиртового термометра обычного типа видно, что если шкалы их между точками, соответствующими температурам кипения воды и таяния льда при нормальном атмосферном давлении, разделить на 100 равных частей (считая за 0 точку таяния льда), то очевидно, что показания обоих термометров ртутного и спиртового будут одинаковы в точках 0 и 100, потому что эти температурные точки были приняты за исходные для получения основного интервала шкалы. Если этими термометрами будем измерять одинаковую температуру какой-либо среды не в этих точках, то показания их будут различны, так как коэффициенты объемного теплового расширения ртути и спирта различно зависят от температуры.

Термометром называют устройство (прибор), служащее для измерения температуры путем преобразования ее в показания или сигнал, являющийся известной функцией температуры. Чувствительным элементом термометра называют часть термометра, преобразующую тепловую энергию в другой вид энергии для получения информации о температуре. Различают термометры контактные и бесконтактные. Чувствительный элемент контактного термометра входит в непосредственное соприкосновение с измеряемой средой. Пирометром называют бесконтактный термометр, действие которого основано на использовании теплового излучения нагретых тел. Термокомплектом называют измерительную установку, состоящую из термометра, не имеющего собственной шкалы, и вторичного прибора, преобразующего выходной сигнал термометра в численную величину.

2 Температурные шкалы

Первым устройством, созданным для измерения температуры, считают водяной термометр Галилея (1597 г.). Термометр Галилея не имел шкалы и был, по существу, лишь индикатором температуры. Полвека спустя, в 1641 г., неизвестным для нас автором был изготовлен термометр со шкалой, имеющей произвольные деления. Спустя еще полвека Ренальдини впервые предложил принять в качестве постоянных точек, характеризующих тепловое равновесие, точки плавления льда и кипения воды. При этом температурной шкалы еще не существовало. Первая температурная шкала была предложена и осуществлена Д.Г. Фаренгейтом (1724 г). Температурные шкалы устанавливались произвольным выбором нулевой и других постоянных точек и произвольным принятием интервала температуры в качестве единицы. Фаренгейт не был ученым. Он занимался изготовлением стеклянных приборов. Ему стало известно, что высота столба ртутного барометра зависит от температуры. Это навело его на мысль создать стеклянный ртутный термометр с градусной шкалой. В основу своей шкалы он положил три точки: 1 - "точка сильнейшего холода (абсолютный нуль)", получаемая при смешениях в определенных пропорциях воды, льда и нашатыря, и принятая им за нулевую отметку (по нашей современной шкале, равная примерно -17,8°С); 2- точка плавления льда, обозначенная им +32°, и 3 - нормальная температура человеческого тела, обозначенная +96° (по нашей шкале +35,6°С). Температура кипения воды первоначально не нормировалась и лишь позднее была установлена +212° (при нормальном атмосферном давлении).

Через несколько лет, в 1731 г. Р.А. Реомюр предложил использовать для стеклянных термометров спирт такой концентрации, который при температуре плавления льда заполнял бы объем в 1000 объемных единиц, а при температуре кипения расширялся бы до 1080 единиц. Соответственно температуру плавления льда Реомюр предложил первоначально обозначить 1000°, а кипения воды 10800 (позднее 0° и 80°).

В 1742 г. А. Цельсий, используя ртуть в стеклянных термометрах, обозначил точку плавления льда за 100°, а точку кипения воды за 0°. Такое обозначение оказалось неудобным и спустя 3 года Штремер (или возможно К. Линней) предложил изменить обозначения, принятые вначале Цельсием, на обратные. Был предложен и ряд других шкал. М. В. Ломоносов предложил жидкостный термометр со шкалой 150° в интервале от точки плавления льда до точки кипения воды.

И.Г. Ламберт (1779 г.) предлагал воздушный термометр со шкалой 375°, принимая за 1° одну тысячную часть расширения объема воздуха. Известны также попытки создать термометры на основе расширения твердых тел (П. Мушен-брук, 1725 г.)

Все предлагаемые температурные шкалы строились (за редким исключением) одинаковым путем: двум (по меньшей мере) постоянным точкам присваивались определенные числовые значения и предполагалось, что видимое термометрическое свойство используемого в термометре вещества линейно связано с температурой. Но в дальнейшем выяснилось, что термометры, построенные на базе различных термометрических веществ с равномерной градусной шкалой, давали при температурах, отличающихся от температур постоянных точек, различные показания. Последние становились особенно заметными при высоких (много больших температуры кипения воды) и очень низких температурах.

В 1848 г. Кельвин (У. Томсон) предложил построить температурную шкалу на термодинамической основе, приняв за нулевое значение температуру абсолютного нуля и обозначив температуру плавления льда +273,1°. Термодинамическая температурная шкала базируется на втором законе термодинамики. Как известно, работа в цикле Карно пропорциональна разности температур и не зависит от термометрического вещества. Один градус по термодинамической шкале соответствует такому повышению температуры, которое отвечает 1/100 части работы по циклу Карно между точками плавления льда и кипения воды при нормальном атмосферном давлении. Термодинамическая шкала тождественна шкале идеального газа, построенной на зависимости давления идеального газа от температуры. Законы изменения давления от температуры для реальных газов отклоняются от идеальных, но поправки на отклонения реальных газов невелики и могут быть установлены с высокой степенью точности. Поэтому, наблюдая за расширением реальных газов и вводя поправки, можно оценить температуру по термодинамической шкале.

По мере расширения научных наблюдений и развития промышленного производства возникла естественная необходимость установить какую-то единую температурную шкалу. Первая попытка в этом направлении была предпринята в 1877 г., когда Международный комитет мер и весов принял в качестве основной температурной шкалы стоградусную водородную шкалу. За нулевую отметку была принята точка таяния льда, а за 100° - точка кипения воды при нормальном атмосферном давлении 760 мм. рт. ст. Температура определялась по давлению водорода в постоянном объеме. Нулевая отметка соответствовала давлению 1000 мм. рт. ст. Градусы температуры по этой шкале очень близко совпадали с градусами термодинамической шкалы, однако практическое применение водородного термометра ограничивалось из-за небольшого интервала температур примерно от -25 до +100°. В начале XX в. широко применялись шкалы Цельсия (или Фаренгейта - в англо-американских странах) и Реомюра, а в научных работах - также шкалы Кельвина и водородная.

1.3 Международная температурная шкала

При резко возросших потребностях в точной оценке температуры пересчеты с одной шкалы на другую создавали большие трудности и приводили к ряду недоразумений. Поэтому после нескольких лет подготовки и предварительных временных решений VIII Генеральная конференция мер и весов приняла в 1933 г. решение о введении Международной температурной шкалы (МТШ). Это решение было в законодательном порядке утверждено большинством развитых стран мира. В СССР Международная температурная шкала была введена с 1 октября 1934 г. (Общесоюзный стандарт ОСТ ВКС 6954).

Международная температурная шкала является практическим осуществлением термодинамической стоградусной температурной шкалы, у которой температура плавления льда и температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении соответственно-обозначены через 0° и 100°. МТШ основывается на системе постоянных, точно воспроизводимых температур равновесия (постоянных точек), которым присвоены числовые значения. Для определения промежуточных температур служат интерполяционные приборы, градуированные по этим постоянным точкам. Температуры, измеряемые по международной шкале, обозначаются через СС. В отличие от градусов шкалы Цельсия - базирующейся также на точках плавления льда и кипения воды при нормальном атмосферном давлении и имеющей обозначения 0° и 100°С, но построенной на иной основе (на линейной зависимости между температурой и расширением ртути в стекле), градусы по международной шкале стали называть "градусами международными" или "градусами стоградусной шкалы". Основные постоянные точки МТШ и присвоенные им числовые значения температур при нормальном атмосферном давлении приводятся ниже: (так же см. рис. №1):

а) температура равновесия между жидким и газообразным кислородом (точка кипения кислорода) - 182,96°

б) температура равновесия между льдом и водой, насыщенной воздухом (точка плавления льда) 0.000°

в) температура равновесия между жидкой водой и ее паром (точка кипения воды) 100,000°

г) температура равновесия между жидкой серой и ее паром (точка кипения серы) 414,60°

д) температура равновесия между твердым и жидким серебром (точка затвердевания серебра) 961.93°

е) температура равновесия между твердым и жидким золотом (точка затвердевания золота) 1064,43°

Рис. № 1 Международная температурная шкала

2. Методы измерения температуры

Для определения значения температуры какого-либо тела необходимо выбрать эталон температуры, то есть тело, которое при определённых условиях, равновесных и достаточно легко воспроизводимых, имело бы определённое значение температуры. Это значение температуры является реперной точкой соответствующей шкалы температур - упорядоченной последовательности значений температуры, позволяющей количественно определять температуру того или иного тела. Температурная шкала позволяет косвенным образом определять температуру тела путем прямого измерения какого-либо его физического параметра, зависящего от температуры.

Наиболее часто при получении шкалы температур используются свойства вода. Точки таяния льда и кипения воды при нормальном атмосферном давлении выбраны в качестве реперных точек в современных (но не обязательно изначальных) температурных шкалах, предложенных Андерсом Цельсием (1701-1744), Рене Антуаном Фершо Реомюром (1683 - 1757), Даниэлем Габриэлем Фаренгейтом (1686-1736). Последний создал первые практически пригодные спиртовой и ртутный термометры, широко используемые до сих пор. Температурные шкалы Реомюра и Фаренгейта применяют в настоящее время в США, Великобритании и некоторых других странах.

Введенную в 1742 году температурную шкалу Цельсия, который предложил температурный интервал между температурами таяния льда и кипения воды при нормальном давлении (1 атм или 101 325 Па) разделить на сто равных частей (градусов Цельсия), широко используют и сегодня, правда в уточненном виде, когда один градус Цельсия считается равным одному кельвину. При этом температура таяния льда берется равной 0 °C, а температура кипения воды становится приблизительно равной 99,975 °C. Возникающие при этом поправки, как правило, не имеют существенного значения, так как большинство используемых спиртовых, ртутных и электронных термометров не обладают достаточной точностью (поскольку в этом обычно нет необходимости). Это позволяет не учитывать указанные, очень небольшие поправки.

После введения Международной системы единиц (СИ) к применению рекомендованы две температурные шкалы. Первая шкала - термодинамическая, которая не зависит от свойств используемого вещества (рабочего тела) и вводится посредством цикла Карно. Эта температурная шкала подробно рассмотрена в третьей главе. Отметим только, что единицей измерения температуры в этой температурной шкале является один кельвин (1 К), одна из семи основных единиц в системе СИ. Эта единица названа в честь английского физика Уильяма Томсона (лорда Кельвина) (1824-1907), который разрабатывал эту шкалу и сохранил величину единицы измерения температуры такой же, как и в температурной шкале Цельсия. Вторая рекомендованная температурная шкала - международная практическая. Эта шкала имеет 11 реперных точек - температуры фазовых переходов ряда чистых веществ, причём значения этих температурных точек постоянно уточняются. Единицей измерения температуры в международной практической шкале также является 1 К.

В настоящее время основной реперной точкой, как термодинамической шкалы, так и международной практической шкалы температур является тройная точка воды. Эта точка соответствует строго определенным значениям температуры и давления, при которых вода может одновременно существовать в твердом, жидком и газообразном состояниях. Причем, если состояние термодинамической системы определяется только значениями температуры и давления, то тройная точка может быть только одна. В системе СИ температура тройной точки воды принята равной 273,16 К при давлении 609 Па.

Кроме задания реперных точек, определяемых с помощью эталона температуры, необходимо выбрать термодинамическое свойство тела, описывающееся физической величиной, изменение которой является признаком изменения температуры или термометрическим признаком. Это свойство должно быть достаточно легко воспроизводимо, а физическая величина - легко измеряемой. Измерение указанной физической величины позволяет получить набор температурных точек (и соответствующих им значений температуры), промежуточных по отношению к реперным точкам.

Тело, с помощью измерения термометрического признака которого осуществляется измерение температуры, называется термометрическим телом.

Термометрическими признаками могут быть изменения: объёма газа или жидкости, электрического сопротивления тел, разности электрического потенциала на границе раздела двух проводящих тел и т.д. Соответствующие этим признакам приборы для измерения температуры (термометры) будут: газовый и ртутный термометры, термометры, использующие в качестве датчика термосопротивление или термопару.

По принципу действия все термометры делятся на следующие группы, которые используются для различных интервалов температур:

Термометры расширения от - 260 до +700 °С, основанные на изменении объемов жидкостей или твердых тел при изменении температуры.

Манометрические термометры от - 200 до +600 °С, измеряющие температуру по зависимости давления жидкости, пара или газа в замкнутом объеме от изменения температуры.

Термометры электрического сопротивления стандартные от -270 до +750 °С, преобразующие изменение температуры в изменение электрического сопротивления проводников или полупроводников.

Термоэлектрические термометры (или пирометры), стандартные от -50 до +1800 °С, в основе преобразования которых лежит зависимость значения электродвижущей силы от температуры спая разнородных проводников.

Пирометры излучения от 500 до 100000 °С, основанные на измерении температуры по значению интенсивности лучистой энергии, испускаемой нагретым телом,

Термометры, основанные на электрофизических явлениях от -272 до +1000 °С (термошумовые термоэлектрические преобразователи, объемные резонансные термопреобразователи, ядерные резонансные термопреобразователи).

1 Контактный метод измерения температуры

Существуют два основных способа для измерения температур - контактные и бесконтактные. Контактные способы основаны на непосредственном контакте измерительного преобразователя температуры с исследуемым объектом, в результате чего добиваются состояния теплового равновесия преобразователя и объекта. Этому способу присущи свои недостатки. Температурное поле объекта искажается при введении в него термоприемника. Температура преобразователя всегда отличается от истинной температуры объекта. Верхний предел измерения температуры ограничен свойствами материалов, из которых изготовлены температурные датчики. Кроме того, ряд задач измерения температуры в недоступных вращающихся с большой скоростью объектах не может быть решен контактным способом.

Газовый термометр постоянного объёма (рис. № 2) состоит из термометрического тела - порции газа, заключенной в сосуд, соединенный с помощью трубки с манометром. Измеряемая физическая величина (термометрический признак), обеспечивающая определение температуры, - давление газа при некотором фиксированном объёме. Постоянство объёма достигается тем, что вертикальным перемещением левой трубки уровень в правой трубке манометра доводится до одного и того же значения (опорной метки) и в этот момент производится измерения разности высот уровней жидкости в манометре. Учет различных поправок (например, теплового расширения стеклянных деталей термометра, адсорбции газа и т.д.) позволяет достичь точности измерения температуры газовым термометром постоянного объема, равной одной тысячной кельвина.

Рис. № 2 Схема газового термометра

Газовые термометры имеют то преимущество, что температура, определяемая с их помощью, при малых плотностях газа не зависит от природы используемого газа, а шкала газового термометра - хорошо совпадает с абсолютной шкалой температур.

Газовые термометры используют для градуировки других видов термометров, например, жидкостных. Они более удобны на практике, однако, шкала жидкостного термометра, проградуированного по газовому, оказывается, как правило, неравномерной. Это связано с тем, что плотность жидкостей нелинейным образом зависит от их температуры.

Жидкостной термометр (рис. № 3) - это наиболее часто используемый в обыденной жизни термометр, основанный на изменении объёма жидкости при изменении её температуры. В ртутно-стеклянном термометре термометрическим телом является ртуть, помещенная в стеклянный баллон с капилляром. Термометрическим признаком является расстояние от мениска ртути в капилляре до произвольной фиксированной точки. Ртутные термометры используют в диапазоне температур от -35 oC до нескольких сотен градусов Цельсия.

Рис. № 3 Схема жидкостного термометра

а - комнатный термометр с наружной шкалой;

б - лабораторный термометр с вложенной шкалой, имеющий на шкале точку 0°С.

Другими видами широко распространённых жидкостных термометров являются спиртовой (от -8 °C до +8 °C) и пентановый (от -200 °C до +35°C). Отметим, что воду нельзя применять в качестве термометрического тела в жидкостном термометре: объём воды с повышением температуры сначала падает, а потом растёт, что делает невозможным использование объема воды в качестве термометрического признака.

С развитием измерительной техники, наиболее удобными техническими видами термометров стали те, в которых термометрическим признаком является электрический сигнал. Это термосопротивления (металлические и полупроводниковые) и термопары.

В металлическом термометре сопротивления измерение температуры основано на явлении роста сопротивления металла с ростом температуры. Для большинства металлов вблизи комнатной температуры эта зависимость близка к линейной, а для чистых металлов относительное изменение их сопротивления при повышении температуры на 1 К (температурный коэффициент сопротивления) имеет величину близкую к 4*10-3 1/К. Термометрическим признаком является электрическое сопротивление термометрического тела - металлической проволоки. Чаще всего используют платиновую проволоку, а также медную проволоку или их различные сплавы. Диапазон применения таких термометров от водородных температур (~20 К) до сотен градусов Цельсия. При низких температурах в металлических термометрах зависимость сопротивления от температуры становится существенно нелинейной, и термометр требует тщательной калибровки.

В полупроводниковом термометре сопротивления (термисторе) измерение температуры основано на явлении уменьшения сопротивления полупроводников с ростом температуры. Так как температурный коэффициент сопротивления полупроводников по абсолютной величине может значительно превосходить соответствующий коэффициент металлов, то и чувствительность таких термометров может значительно превосходить чувствительность металлических термометров.

Специально изготовленные полупроводниковые термосопротивления могут быть использованы при низких (гелиевых) температурах порядка нескольких кельвин. Однако следует учитывать то, что в обычных полупроводниковых сопротивлениях возникают дефекты, обусловленные воздействием низких температур. Это приводит к ухудшению воспроизводимости результатов измерений и требует использования в термосопротивлениях, специально подобранных полупроводниковых материалов.

Другой принцип измерения температуры реализован в термопарах. Термопара (рис. № 4) представляет собой электрический контур, спаянный из двух различных металлических проводников, один спай которых находится при измеряемой температуре (измерительный спай), а другой (эталонный спай) - при известной температуре, например, при комнатной температуре. Из-за разности температур спаев возникает электродвижущая сила (термо-ЭДС), измерение которой позволяет определять разность температур спаев, а следовательно, температуру измерительного спая.

В таком термометре термометрическим телом является спай двух металлов, а термометрическим признаком - возникающая в цепи термо-ЭДС. Чувствительность термопар составляет от единиц до сотен мкВ/К, а диапазон измеряемых температур от нескольких десятков кельвин (температуры жидкого азота) до полутора тысяч градусов Цельсия. Для высоких температур применяются термопары из благородных металлов. Наибольшее применение нашли термопары на основе спаев следующих материалов: медь-константан, железо-константан, хромель-алюмель, платинородий - платина.

Рис. № 4 Схема термопары

Следует отметить, что термопара способна измерить только разность температур измерительного и свободного спаев. Свободный спай находится, как правило, при комнатной температуре. Поэтому для измерения температуры термопарой необходимо использовать дополнительный термометр для определения комнатной температуры или систему компенсации изменения температуры свободного спая.

В радиотехнике часто применяют понятие шумовой температуры, равной температуре, до которой должен быть нагрет резистор, согласованный с входным сопротивлением электронного устройства, чтобы мощность тепловых шумов этого устройства и резистора были равными в определенной полосе частот. Возможность введения такого понятия обусловлена пропорциональностью средней мощности шума (среднего квадрата шумового напряжения на электрическом сопротивлении) абсолютной температуре сопротивления. Это позволяет использовать шумовое напряжение в качестве термометрического признака для измерения температуры. Шумовые термометры используются для измерения низких температур (ниже нескольких кельвинов), а также в радиоастрономии для измерения радиационной (яркостной) температуры космических объектов

2 Бесконтактный метод измерения температуры

Бесконтактный способ основан на восприятии тепловой энергии, передаваемой через лучеиспускание и воспринимаемой на некотором расстоянии от исследуемого объема. Этот способ менее чувствителен, чем контактный. Измерения температуры в большой степени зависят от воспроизведения условий градуировки при эксплуатации, а в противном случае появляются значительные погрешности. Устройство, служащее для измерения температуры путем преобразования ее значений в сигнал или показание, называется термометром (ГОСТ 13417-76).- это термоэлементы, включенные последовательно, которые используют известный Seebeck - эффект. Термоэлемент состоит из двух электропроводных материалов, которые расположены в виде проводящих дорожек и которые в одной точке (так называемой hot junction) контактируют друг с другом. Если за счет внешнего воздействия возникнет разница температур между точкой контакта (hot junction) и обеими открытыми концами (cold junction), то на обоих концах термоэлементов появится напряжение в несколько милливольт.

При бесконтактном способе измерения температуры повышение температуры точки «hot junction» вызывается за счет абсорбирования попадающего в эту точку инфракрасного излучения. Каждый объект излучает инфракрасный свет, причем энергия этого света повышается с повышением температуры объекта. Базируясь на этом эффекте Thermopile-модули измеряют излучаемую мощность и таким образом с высокой точностью определяют температуру объекта.

3 Люминесцентный метод измерения температуры

В основе люминесцентных методов измерения температуры лежит температурная зависимость интенсивности люминесцентного излучения некоторых люминофоров, которое находит применение в различных датчиках измерения температуры и термопокрытиях.

Современные волоконно-оптические датчики позволяют измерять многие характеристики лабораторных и промышленных объектов, в частности температуру. Не смотря на то, что их использование достаточно трудоемко, оно дает ряд преимуществ, использования подобных датчиков на практике: безындукционность (т.е. неподверженность влиянию электромагнитной индукции); малые размеры датчиков, эластичность, механическая прочность, высокая коррозийная стойкость и т.д.

Датчик на основе теплового излучения. В качестве устройств для измерения температуры могут быть использованы волоконно-оптические датчики на основе теплового излучения, сущность которых состоит в следующем. Изучаемое вещество при температуре большей 0 К вследствие тепловых колебаний атомов и молекул испускает тепловое излучение. Энергия излучения увеличивается по мере повышения температуры, а длина волны, на которой излучение максимально, уменьшается. Соответственно для определения температуры можно использовать формулу Планка для энергии теплового излучения черного тела на фиксированной длине волны или в диапазоне волн.

Основным преимуществом данного способа является возможность бесконтактного измерения высоких температур. В зависимости от диапазона измеряемых температур выбирают световые детекторы и оптические волокна. Область измерения температур для волоконно-оптических датчиков излучения находится в пределах от 400 до 2000 °С. При использовании оптических волокон, прозрачных для инфракрасных лучей с длиной волны 2 мкм и более, можно осуществлять измерение и более низких температур.

Датчик на основе поглощения света полупроводником. Известны также волоконно-оптические датчики, работа которых основана на оптических свойствах некоторых полупроводников. Используемый полупроводник имеет граничную длину волны спектра оптического поглощения. Для света с более короткой длиной волны, чем у проводника, поглощение усиливается, причем по мере роста температуры граничная длина волны отодвигается в сторону более длинных волн (около 3 нм/К). При подаче на полупроводниковый кристалл луч от источника света, имеющего спектр излучения в окрестности указанной границы спектра поглощения, интенсивность света, проходящего через светочувствительную часть датчика, с повышением температуры будет падать. По выходному сигналу детектора, указанным методом можно регистрировать температуру.

Используя данный метод можно мерить температуру в интервале от 30 до 300 °С с погрешностью ±0,5 °С.

Датчик на основе флуоресценции. Данный датчик устроен следующим образом. На торец оптического волокна светочувствительной части нанесено флуоресцентное вещество. Флуоресцентное излучение, возникающее под воздействием ультрафиолетовых лучей, проводимых оптическим волокном, принимается этим же волокном. Температурный сигнал выявляется путем вычисления отношения соответствующих значений интенсивности флуоресцентного излучения для сигнала с длиной волны, сильно зависящего от температуры к интенсивности сигнала с другой длиной волны, слабо зависящего от температуры.

Область измеряемых температур таким датчиком находится в пределах от -50 до 200 °С с погрешностью ±0,1 °С.

Использование волоконно-оптических датчиков, при всей своей привлекательности, позволяет производить измерение температуры только в локальной точке объекта, что несколько сужает область их применения.

Заключение

Температура является одним из основных параметров, подлежащих контролю со стороны систем автоматического управления металлургическими процессами. В условиях агрессивных сред и высоких температур, наиболее подходящими для использования являются фотоэлектрические пирометры. Они позволяют контролировать температуру от 100 до 6000 °С и выше. Одним из главных достоинств данных устройств является отсутствие влияния температурного поля нагретого тела на измеритель, так как в процессе измерения они не вступают в непосредственный контакт друг с другом. Так же фотоэлектрические пирометры обеспечивают непрерывное автоматическое измерение и регистрацию температуры, что позволяет использовать их в системах автоматического управления процессами без дополнительных затрат на приобретение и обслуживание устройств сопряжения.

Представленный в работе обзор люминесцентных методов измерения температуры по сравнению с контактными методами обладает теми же преимуществами, что и оптические методы. В то же время он является менее сложным при организации процесса изучения температуры и не менее точным по сравнению с другими оптическими методами. Кроме того, использование свойств люминесценции делает возможным разработку методов измерения температурных полей объектов сложной геометрической формы.

Из вышеприведенного обзора очевидна необходимость дальнейшей разработки и совершенствования технологий измерения температуры с использованием люминесцентных методов.

температура термометр люминесцентный

Литература

1.Преображенский, В.П. Теплотехнические измерения и приборы. / В.П. Преображенский - М.: Энергия, 1978. - С. 704

Чистяков, С.Ф., Радун Д. В. Теплотехнические измерения и приборы. / С.Ф. Чистяков - М.: Высшая школа, 1972. - С. 392

Никоненко, В.А., Сильд Ю.А., Иванов И.А. Разработка системы метрологического обеспечения измерительных тепловизорных приборов. - Измерительная техника, № 4, 2004. - С. 48-51

Измерения в промышленности: Справ. Изд.

Цель лекции : изучение основных понятий, физических принципов и технических средств регулирования и измерения температуры в различных точках грузового помещения вагона и тракта холодильной машины.

Основные понятия и физические принципы

Температура t - физическая величина, характеризующая степень нагретости тела. Она (а также давление) проявляет микроскопическую природу вещества, выводя ее на наглядный микроскопический уровень. Температура выступает как мера интенсивности теплового движения молекул. Для измерения этого параметра состояния изготовляют датчики, в основе которых лежат различные физические эффекты, сопровождающие вариации температуры: изменение объема газовой, жидкой или твердой сред, электрического сопротивления чувствительного элемента, возбуждение термоэлектродвижущей силы, восприятие излучения нагретого тела и др.

Количественное содержание измеренной температуры определяется с помощью именованных шкал, все разнообразие которых можно разделить на 2 класса:

1. эмпирический (Фаренгейта, Реомюра, Цельсия).
2. термодинамический (Кельвина, Ренкина).

Температурная шкала Реомюра - практическая шкала, предложенная им в 1730 году. Единица шкалы - градус Реомюра (°R). 1 градус Реомюра равен 1/80 части температурного интервала между точками таяния льда (0°R) и кипения воды (80°R), т. е. 1°R = 1.25°С, 1°C = 0.8°R. Шкала Реомюра вышла из употребления.

Шкалы Фаренгейта и Ренкина получили распространение лишь в англоязычных странах (Великобритания, США и др.). Наиболее употребимой во всем мире является эмпирическая шкала Цельсия, где реперными (узловыми, точными) точками приняты температуры тающего льда (0 о С) и кипения (100 о С) при нормальном атмосферном давлении. Шкала Кельвина имеет ту же количественную величину шага измерения температур (1 К = 1 о С), но ее начало смещено на 273,16 К - в точку абсолютного нуля (прекращения теплового движения молекул), т.е. T = t + 273,16 К. Эта шкала существенна для термодинамического анализа состояний и процессов.

Техническая система для измерения температуры включает в себя три компонента:

• чувствительные элементы (датчики, первичные преобразователи);
• промежуточные преобразователи;
• оконечные приборы (показывающие и регистрирующие приборы).

Датчики температуры (термометры)

Для измерения меры интенсивности теплового движения молекул изготавливают датчики температуры , в основе которых лежат различные физические эффекты, сопровождающие вариации температуры: изменение объема вещества, электрического сопротивления, возбуждение термоэлектродвижущей силы, восприятие излучения нагретого тела и др.

Датчики воспринимают контролируемую величину и преобразуют ее в сигнал, более удобный для практического использования. Ниже перечислены некоторые типы измерительных преобразователей.

Дилатометрические датчики. Используют свойство расширения веществ (твердых, жидких и газообразных) при изменениях температуры.

Измерительная шкала жидкостных термометров (на основе ртути, спирта, толуола и др.) может быть совмещена с чувствительным элементом или вынесена с помощью промежуточного преобразователя (рис. 1). Характерный диапазон измерений: -100…750 о С.

Рис. 1 Электроконтактный термометр

Электроконтактный термометр состоит из: 1 - ртутный термометр; 2 - щиток; 3 - лампочка; 4 - кнопка включения; 5 - источник питания.

Газовые (манометрические) термометры (рис.2) отражают зависимость давления среды, заполняющей датчик, от изменяющейся температуры в герметичной системе (термобаллон с трубкой Бурдона). Диапазон измерений: -200…550 о С.

Рис. 2 Манометрический термометр

Манометрический термометр состоит из: 1 - термобаллон; 2 - манометр; 3 - капиллярная трубка.

Твердотелые (биметаллические) термометры образованы как прочное соединение двух пластинок из металлов с разными коэффициентами линейного расширения. При увеличении температуры одна из пластинок стремиться удлинится, а другая препятствует этому, и биметаллическая пластинка изгибается. Диапазон температур - от -60 до 200 о С.

Термометры сопротивления . Измерение температуры термосопротивлениями основано на свойстве проводников и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление при изменении температуры.

Вид функции R = f(t) зависит от природы материала. Для изготовления чувствительных элементов серийных термосопротивлений применяются чистые металлы. Наиболее полно указанным требованиям отвечают: никель, железо, медь и др.

Основной недостаток термосопротивлений: большая инерционность (до 10 мин.).

Для того чтобы произвести измерение температуры наиболее часто применяются термосопротивления типов: ММТ-1, ММТ-4, ММТ-6 (медно-марганцевые); КМТ-1, КМТ-4 (кобальто-марганцевые).

Металлический термометр сопротивления (он представляет собой патрон, имеющий внутри спираль из тонкого медного проводника) называют терморезистором, а полупроводниковый - термистором. У терморезисторов с ростом температуры сопротивление увеличивается (2…3 % на 1 о С), а у термисторов - падает (3…5 % на 1 о С). Диапазон измерений: -200…500 о С.

Термоэлектрические датчики (термопары). Их действие основано на температурной зависимости контактной электродвижущей силы, возникающей в замкнутой цепи двух разнородных металлических проводников (рис. 3). Чувствительный элемент датчика - контакт проводников, находящихся в точке, где необходимо измерить температуру (горячий спай); второе соединение (вне объекта) называют «холодный спай». Характерные материалы термопар: медь-константан, хромель-алюмель, платинородий-платина и др. Диапазон измерений: -200…1600 о С.

Рис. 3 Термопара

Пирометры излучения . Данные приборы основаны на применении теплового излучения нагретых тел. Верхний предел измерения температуры пирометра излучения практически не имеет ограничений. В основе измерения лежит бесконтактный способ, в результате этого отсутствует искажение температурного поля, вызываемое введением преобразовательного элемента прибора в измеряемую среду. Возможно измерение температуры пламени и высоких температур газовых потоков при больших скоростях. Технические пирометры охватывают диапазон температур от 400 до 4000 о С.

Промежуточные преобразователи

Задача промежуточных преобразователей - перевести часто слабый или нелинейный сигнал датчика в пригодный для практического использования сигнал. Измерение производят либо по методу непосредственной оценки (милливольтметром), либо компенсационным методом (потенциометром). Наиболее распространенными промежуточными преобразователями являются электрические мостовые схемы. Мост образуется последовательным соединением четырех электрических сопротивлений в замкнутый контур, который активизируется внешним источником напряжения (постоянного или переменного). При измерении температур применяются уравновешенные и неуравновешенные мосты.

Уравновешенные мосты. К одной из диагоналей уравновешенного моста (рис.4) подключают источник питания, к другой (измерительной диагонали) - гальванометр. Два резистора в плечах имеют постоянное сопротивление (R 2 , R 4), два других - переменное (R 1 - регулируемое сопротивление, R t воспринимает изменение температуры). Уравнительное сопротивление R 1 подбирается так, чтобы R 1 /R 2 = R t /R 4 . При этом в измерительной диагонали удовлетворяется условие уравновешенности моста i o = 0.

Градируя положение движка реостата 1 в зависимости от температуры, измеренной по образцовому прибору, получают возможность определять значение температуры в месте установки датчика. Так как условие равновесия моста не зависит от уровня напряжения U ab , обеспечивается малая погрешность измерения (порядка 1%) при обычной нестабильности источника.

Рис. 4 Схема уравновешенного моста Уитстона: 1 - уравнительное сопротивление; 2 - гальванометр

На рефрижераторном подвижном составе для измерения температуры используют терморезисторы типа РТ (платиновые) и ТСМ - 010 (медные), термисторы типа TNM и MMT.

Неуравновешенные мосты. При большей простоте и надежности по сравнению с уравновешенными, они имеют и более высокое значение погрешности.

Три плеча у моста (рис.5) имеют постоянные сопротивления, а одно (R t) изменяется при вариациях температуры, но уровень величины i о зависит от напряжения источника питания U ab , что требует его регулированиии стабилизации. Если в качестве датчика температуры используют термистор, то вследствие квадратичной зависимости температурного коэффициента его сопротивления шкала измерительного прибора будет неравномерной. Это неудобно, и обычно схемными средствами добиваются линейной характеристики R t = f(t).

Рис. 5 Схема неуравновешенного моста:1 - установочное сопротивление

Примером одной реализаций неуравновешенного моста является логометр. Измерение температуры с его помощью основано на взаимодействии поля постоянного магнита и магнитных полей, вызываемых токами, протекающими в двух крестообразно расположенных многовитковых проволочных рамках подвижной части измерительной система. Рамки подключены к противоположным плечам моста. Термосопротивление включают последовательно в цепь одной из рамок. Плечевые резисторы, кроме R t , не меняют своего сопротивления. Ток в одном плече и его рамке не меняет своего значения, ток в другом плече определяется сопротивлением термистора R t , зависящим от температуры.

Стрелка магнитоэлектрического гальванометра отклоняется на угол, определяемый значением температуры, и показывает это значение на отградуированной шкале. Обычно предусматривается возможность подключения к логометру и других измерительных комплектов. Прибор работает с термистором, электрическим контактным термометром, резистором и др.

Показывающие и регистрирующие приборы

При измерении температуры в качестве показывающих и регистрирующих приборов применяются электронные автоматические мосты (ЭПП, КСП и др.), которые работают совместно с платиновыми терморезисторами. В цепь термопар часто включают потенциометры, так как термоэлектродвижущая сила эффекта Зеебека невелика (10…50 мкв/С о). Все более широкое применение находят приборы с цифровой индикацией и регистрацией температуры.

Для автоматической непрерывной регистрации температуры воздуха в груженом рейсе применяют термографы . Термограф (рис. 6) состоит из барабана и датчика (биметаллической пластинки), воспринимающего вариации температуры.

Рис. 6 Схема устройства термографа

1 - биметаллическая пластинка; 2 - стержень; 3 - рычаг; 4 - вращающийся барабан

Под действием температурных изменений происходит деформация биметаллической пластинки 1, и подвижной ее конец перемещается, механически воздействуя на длинный рычаг 3. Конец рычага 3 с пером в зависимости от колебаний температуры воздуха перемещается вверх или вниз и чертит подаваемый на него чернилами кривую линию на специальной градуированной бумажной ленте. Сменная лента в продольном направлении разделена на сутки и часы, а в поперечном на градусы. Барабан 4 вращается посредством часового механизма, совершая один оборот за одни или несколько суток.

Регулирующие приборы

Терморегулирующий вентиль (ТРВ) . Он предназначен для автоматического регулирования подачи жидкого хладагента в испаритель холодильной машины в соответствии со сложившейся тепловой нагрузкой в грузовом помещении рефрижераторного вагона. Наглядным образцом служит рис. 7.

Действие ТРВ зависят от температуры перегрева всасываемых компрессором паров хладагента над температурой кипения жидкого хладагента в испарителе. Увеличение этой разности означает, что количество хладагента, пропускаемого вентилем, меньше необходимого, а при снижении - больше. Таким образом, ТРВ поддерживает постоянный перегрев пара на выходе из испарителя. При отклонении температуры от заданного значения, на которое настроен прибор, изменяется давление в термобаллоне. Импульс по давлению передается через капилляр на мембрану и через нее - на клапан. Перемещение клапана приводит к большему или меньшему открытию проходного сечения для пропуска паров хладона через испаритель, т.е. на всас компрессора. Пружина вместе с регулировочным винтом позволяют задать такое базовое значение проходного сечения клапана, чтобы перегрев паров на выходе испарителя составил 4…7 о С

Рис. 7 Схема действия терморегулирующего вентиля

1 - регулировочный винт; 2 - пружина; 3 - запорный клапан; 4 - шток; 5 - мембрана; 6 - силовая камера; 7 - капиллярная трубка; 8 - термобаллон; Р о - давление в испарителе ХМ; Р k - давление в конденсаторе ХМ; F - сила сжатия пружины; Р c - противодавление, развиваемое термобаллоном.

Организация измерений температуры в помещении рефрижераторного вагона

Местный контроль над температурой в вагоне может осуществляться на стоянках переносной телетермометрической станцией, подключаемой на период измерений к наружной розетке. Дистанционный контроль обеспечивается из служебного вагона с помощью приборов стационарной телетермометрической станции и автоматически путем фиксации на самопишущих регистрирующих устройствах, датчики которых находятся в грузовом помещении вагона.