Приборы и методы измерения температуры
В высокочастотной технике чаще используются электрические способы измерения температуры, не смотря на то, что в некоторых случаях может оказаться целесообразным использование неэлектрических способов, и исходя из этого они заслуживают упоминания.
Вся область измерения температуры условно делится на две части — термометрию, включающую определение температуры до 500—600 °С устройствами (термометрами), и пирометрию, охватывающую измерение более больших температур устройствами, именуемыми пирометрами.
Различают пять групп устройств для измерения температуры со следующими верхними пределами их применения:
— термометры расширения – 550 °С
— манометрические термометры – 550 °С
— электрические термометры сопротивления – 500 °С
— термоэлектрические пирометры – 1600 °С
—пирометры излучения (включая фотопирометры, для которых верхний предел фактически не ограничен)– 2000 °С
Термометры расширения. Примером термометров расширения могут служить жидкостно-стеклянные термометры, обширно используемые для измерения температур в пределах от —80 до -(-500 °С — при изготовления из особого термометрического стекла и до +700 °С — при изготовлении из плавленого кварца.
Принцип действия жидкостно-стеклянных термометров основан на тепловом расширении жидкости, именуемой в большинстве случаев рабочим веществом термометра. В качестве рабочего вещества используют ртуть, толуол, этиловый спирт, петролейный эфир, пентан и др.
Ртутные термометры владеют рядом преимуществ перед термометрами с другими жидкостями. Так, ртуть не смачивает стекла, что увеличивает точность отсчета показаний, имеет меньшую теплоемкость если сравнивать с органическими жидкостями приблизительно в 12 раз, благодаря чему ртутные термометры менее инерционны.
Для целей технологической сигнализации и для применения в несложных схемах регулирования температуры изготовляются контактные ртутные термометры.
Различают термометры одноконтактные и двухконтактные. Первые снабжают замыкание электрического . контакта на фиксированной отметке шкалы, вторые — на любой отметке.
В цепи контактных термометров при 3—4 включениях в 60 секунд допускается большой переменный ток, равный 1 а при напряжении 6 в.
К недочётам жидкостно-стеклянных термометров направляться отнести их хрупкость, невозможность дистанционной передачи показаний, громадную затруднительность отсчёта и термическую инерцию показаний из-за плохой видимости и нечёткости шкалы столбика жидкости в капилляре.
К термометрам расширения относятся кроме этого дилатометрические и биметаллические термометры.
Принцип действия дилатометрических и биметаллических термометров основан на трансформации линейных размеров жёстких тел в зависимости от трансформации их температуры.
Термометры, основанные на расширении жёстких тел, для измерительных целей употребляются относительно редко. Шире используются температурные реле, основанные на этом принципе, имеющие своим назначением электрическую сигнализацию предельных температур, и работу в схемах автоматических регуляторов температуры. Биметаллические термометры употребляются, помимо этого, как компенсаторы влияния температуры в некоторых измерительных устройствах.
Манометрические термометры. Манометрические термометры являются техническими устройствами для измерения температуры в пределах от —50 до +550 °С в разных областях техники. Они имеют главную погрешность измерения, не превышающую + 1,5%.
Устройство манометрического термометра продемонстрировано на рис. 1. Прибор складывается из термобаллона, погружаемого в среду с измеряемой температурой, капилляра и показывающего прибора, устройство которого не отличается от устройства простого манометра. Герметически закрытая совокупность, складывающаяся из термобдллона, трубчатой пружины и капилляра манометра, заполнена рабочим веществом, к примеру, азотом.
При нагревании термобаллона давление азота в совокупности возрастает и трубчатая пружина пара выпрямляется. Перемещение финиша пружины приводит к повороту стрелки, показывающей на шкале прибора измеряемую температуру.
Манометрические термометры выполняются показывающими и самопишущими. Производятся кроме этого контактные манометрические термометры для целей электрической сигнализации предельных температур.
Преимуществами манометрических термометров если сравнивать с жидкостно-стеклянными являются возможность автоматической записи показаний, возможность установки вторичного прибора на некоем расстоянии от места измерения благодаря наличию долгого (до 60 м) эластичного капилляра, соединяющего его с первичным прибором (термобаллоном), и громадная механическая прочность.
Неспециализированным недочётом этих устройств есть громадная трудности ремонта и термическая инерция при нарушении герметичности совокупности.
Термометры сопротивления. Термометры сопротивления являются устройством , складывающееся из тепловоспринимающей части, источника тока и электроизмерительного прибора.
Рис. 1. Манометрический термометр: 1 1 — термобаллон; 2 — капилляр; 3 — трубчатая пружина
Воздействие этого устройства основано на свойстве металлов увеличивать собственный электрическое сопротивление при увеличении температуры, благодаря чего изменяется ток в цепи, составленной из тепловоспринимающей части, измерительного прибора и источника тока. Тепловоспринимающая часть, либо чувствительный элемент, термометра сопротивления представляет собой узкую проволоку, намотанную на каркас из изоляционного материала. Протяженность чувствительного элемента термометра сопротивления образовывает пара сантиметров, и исходя из этого он измеряет температуру не в отдельной точке, а некую среднюю температуру тех слоев среды, каковые находятся в области его размещения.
Электроизмерительными устройствами, трудящимися в наборе термометра сопротивления могут служить:
а) уравновешенный измерительный мост (несложной либо непроизвольный;
б) неуравновешенный измерительный мост;
в) логометр.
К металлам, используемым для изготовления чувствительных элементов термометров сопротивления, предъявляются следующие требования:
1) громадный температурный коэффициент сопротивления;
2) громадное удельное сопротивление;
3) постоянство химических и физических особенностей;
4) легкость получения однообразных особенностей.
Этим требованиям удовлетворяют чистые металлы: платина, медь, железо и никель.
Технические термометры сопротивления изготовляются в основном из платины, меди и в весьма ограниченном количестве из никеля (условные обозначения ЭТП, ЭТМ и ЭТН). В СССР серийно выпускаются термометры сопротивления с чувствительными элементами из меди и платины.
Платиновые термометры предназначаются для измерения температур в промежутке от — 200 до + 500 °С. Бронзовые термометры сопротивления используются для долгого измерения температур в промежутке от —50 до -4-100 °С. При более больших температурах (до 150 °С) бронзовые термометры смогут быть использованы лишь для краткосрочных измерений.
Термометры каждого типа—ЭТП, ЭТМ и ЭТН — по ГОСТ 6651-53 смогут изготовляться разных разновидностей.
По условиям эксплуатации различают термометры стационарные и переносные; по числу чувствительных элементов — термометры с одним выводом и с несколькими; по числу выводных проводников от каждого чувствительного элемента — термометры с двумя, тремя и четырьмя проводниками; по степени инерционности различают термометры солидной инерционности БИ, обычной инерционности ОИ и малой инерционности МИ.
К преимуществам термометров сопротивления относятся:
1) высокая степень точности измерения температуры;
2) возможность калибровки шкалы прибора на любой температурный промежуток в пределах допустимых температур;
3) возможность дистанционной централизации контроля и передачи показаний температуры методом присоединения нескольких термометров сопротивления через тумблер к одному измерительному прибору;
4) возможность автоматической записи измеряемой температуры.
Самый обширно в наборе с техническими термометрами сопротивления используются магнитоэлектрические логометры, у которых отсчитывают температуру конкретно по шкале и показания которых в известных пределах не зависят от колебаний напряжения источников тока.
На данный момент в СССР распространены следующие устройства: ЛПБ—логометр профильный громадный; ЛМПУ — логометр магнитоэлектрический профильный утопленного монтажа; CJIM — самопишущий логометр на 1, 3 либо 6 записи и точек измерения.
Термоэлектрические пирометры. Термоэлектрический пирометр складывается из измерителя и — теплочувствительного — элемента термопары т. э. д. с. (термоэлектродвижущей силы).
Измерение температуры при помощи термопары основано на явлении, пребывающем в том, что нагревание места спая проволок из различных металлов приводит к появлению т. э. д. е., которая (при постоянной температуре холодных финишей, именуемых кроме этого, время от времени свободными финишами термопары) зависит лишь от температуры тёплого спая (именуемого время от времени кроме этого рабочим спаем либо рабочим финишем термопары) и материала забранных проволок. форма проволок и Геометрические размеры на величину т. э. д. с. совсем не воздействуют.
Зависимость т. э. д. с. термопары от температуры тёплого спая определяется экспериментально методом калибровки при температуре свободных финишей, равной t0 = 0 °С, и дается в виде таблицы либо графика.
Для измерения т. э. д. с. к свободным финишам термопары (рис. 22, а) либо в разрыв одного из электродов (рис. 22, б) присоединяется магнитоэлектрический милливольтметр.
Включая прибор, мы тем самым вводим в цепь термопары третий проводник С, отличающийся по собственной природе от проводников А и В.
Возможно продемонстрировать, что термоэлектродвижущая сила термопары не изменится от введения в ее цепь нового проводника, в случае если лишь температуры финишей этого проводника однообразны. При таком условии схемы включения измерительного прибора а и б равноценны и отличаются лишь тем, что, не считая тёплого спая, в одном случае имеются два холодных спая, а во втором — один холодный и два нейтральных.
Рис. 2. Включение прибора в термоэлектрическую цепь: а — вхолоднщй спай; б — в электрод
Нарушение условия одинаковости температур нейтральных спаев приводит к появлению паразитной т. э. д. е., которая будет тем больше, чем больше эта разность температур.
В качестве термоэлектродов, т. е. проводников, из которых составляется термопара, используются сплавы и металлы, развивающие относительно громадные т. э. д. с. Это позволяет использовать менее чувствительные, а следовательно, более качественные в эксплуатации устройства, служащие для измерения т. э. д. с.
Оценку величины т. э. д. с. разных термопар возможно произвести, пользуясь термоэлектрическим рядом табл. 3, в которой приведены значения т. э. д. с. сплавов и металлов в паре с платиной при температуре тёплого спая 100 °С и холодного спая 0 °С.
Т. э. д. с. любой пары из этого последовательности получается алгебраическим вычитанием т. э. д. с. одного электрода из т. э. д. с. другого.
Наиболее значимым требованием, предъявляемым к термопаре, есть постоянство ее термоэлектрической чёрта. На данный момент для четырех разных типов термопар установлены стандартные градуировочные характеристики (ГОСТ 3044-45 и ГОСТ 6071-51).
По конструктивному исполнению термопары очень разнообразны. В зависимости от назначения они выполняются с разной защитной арматурой, не меняющей калибровки термопары, но увеличивающей ее термическую инерцию.
В качестве вторичного измерительного прибора в наборе с термопарой смогут использоваться показывающие, самопишущие либо контактные милливольтметры либо автоматические потенциометры. Для записи быстротекущих процессов нагрева возможно применен магнитоэлектрический осциллограф с чувствительным шлейфом.
Пирометры, основанные на применении способов измерения температур тел по их излучению. Измерение температур тел по интенсивности их излучения осуществляется бесконтактным методом, не искажающим температурного поля объекта измерения, чем данный способ значительно отличается от способов, основанных на применении термоприемников, каковые должны пребывать в ярком контакте с телом, температуру которого измеряют.
Способы измерения температуры тел по интенсивности излучения основываются на следующих физических предпосылках:
1) с трансформацией температуры тела изменяется интенсивность излучения;
2) с трансформацией температуры тела интенсивность излучения изменяется не только количественно, но и как следует, в противном случае говоря, изменяется состав лучистого потока, т. е. количественное соотношение лучей разных длин волн.
В соответствии с этими положениями различают три способа измерений:
1) радиационный, основанный на измерении суммарной мощности излучения нагретого тела;
2) оптический (монохроматический, яркостной), основанный на измерении мощности излучения для заданной длины волны;
3) цветовой, основанный на измерении отношения мощностей излучения для двух заданных длин волн и
На рис. 23 приведены кривые интенсивности излучения для полностью тёмного тела, каковые говорят о том, что:
1) суммарная либо интегральная мощность излучения (площадь, ограниченная кривой для соответствующей температуры и осью абсцисс) скоро растет с ростом температуры (закон Стефана — Больцмана);
2) максимум интенсивности излучения по мере роста температуры перемещается в область более маленьких волн (закон Вина).
Полная, либо интегральная, энергия излучения полностью тёмного тела пропорциональна четвертой степени температуры этого тела. Разумеется, измерив полную энергию излучения, мы можем выяснить температуру тела,
Рис. 3. Зависимость интенсивности лучеиспускания полностью тёмного тела от абсолютной температуры и длины волны
Таковой способ измерения температуры носит название радиационного способа, а устройства, основанные на принципе измерения интегральной энергии излучения, именуются радиационными пирометрами.
Радиационный пирометр, проградуированный по полностью тёмному телу, при измерении температуры физического тела (не полностью тёмного) будет давать заниженные показания, поскольку излучательная свойство физических тел неизменно меньше излу-чательной способности полностью тёмного тела. Эти показания смогут быть исправлены, в случае если известен коэффициент интегральной излучательной свойстве, воображающий отношение интегральной энергии излучения физического тела к интегральной энергии
излучения полностью тёмного тела при одной и той же температуре.
Для физических тел данный коэффициент неизменно меньше единицы. Величина его зависит от материала тела, состояния поверхности, других факторов и температуры. Фактически физическое тело излучает как полностью тёмное только в одном случае, в то время, когда оно находится в закрытой печи, внутренняя поверхность которой имеет ту же температуру, что и находящееся в том месте тело.
Глазок в печи возможно принят за полностью тёмное тело. В этом случае радиационный пирометр будет измерять подлинную температуру.
Радиационные пирометры (рис. 4) разных конструкций складываются из двух главных измерительного: прибора и частей телескопа (показывающего либо самопишущего).
Оптическая совокупность телескопа концентрирует энергию излучения нагретого тела на термоприемнике. Термоприемник, помещенный в телескопа, в большинстве случаев представляет собой миниатюрную термобатарею, т. э. д. с. которой является мерой температуры нагретого тела.
В наборе с радиационным пирометром смогут использоваться разного типа показывающие и самопишущие милливольтметры, и лабораторные и автоматические потенциометры.
Оптический способ (монохроматический, яркостной) основан на определении интенсивности излучения нагретого тела, соответствующей в полной мере определенной длине волны. Фактически в устройствах употребляется излучение в некоем узком диапазоне длин волн от X до X f АХ. В большинстве случаев выбирают X = 0,65 мк из тех мыслей, что к более долгим волнам человеческий глаз уже не чувствителен, волны же меньше 0,65 мк смогут быть срезаны при помощи красного светофильтра.
Рис. 4. Схема устройства радиационного пирометра: 1 — объектив; 2 — диафрагму; 3 — экран; 4— термобатарея; 5 — красный светофильтр; 6 — окуляр; 7 — гальванометр
Оптический пирометр, проградуированный по полностью тёмному телу, будет показывать при измерении температуры физических тел не настоящую, а так именуемую яркостную, либо тёмную монохроматическую, температуру, поскольку коэффициент монохроматической излучательной свойстве, воображающий отношение интенсивности излучения интенсивности излучения и физического тела полностью тёмного тела в лучах заданной длины волны при одной и той же температуре, неизменно меньше единицы.
Рис. 5. График поправок к оптическому пирометру
Для многих материалов коэффициенты монохроматической излучательной свойстве прекрасно изучены. Пользуясь данными данной таблицы и кривыми поправок на неполноту излучения (рис. 5), возможно выяснить поправку к яркостной температуре (показание оптического пирометра).
Эту поправку направляться прибавить к яр костной температуре для того, чтобы получить подлинную.
Рис. 6. Схема устройства оптического пирометра: 1 — объектив; 2 — лампа накаливания; 3 — красный светофильтр; 4 — окуляр; 5 — реостат; 6 — аккумулятор; 7 — гальванометр;
Принцип действия прибора Изображение источника излучения, температуру которого желают измерить, посредством объектива получается в плоскости нити пирометрической лампочки. Наблюдатель, глядя в окуляр через красный светофильтр, видит нить лампочки, проектирующейся на фоне изображения источника излучения. Меняя положение движка реостата, возможно установить такую силу тока пирометрической лампочки, при которой нить «исчезает» на фоне изображения.
Это происходит в тог момент, в то время, когда яркость нити лампочки будет равна яркости изображения источника излучения. Соответствующая этому равенству яркостей сила тока отсчитывается по включенному в цепь амперметру, шкала которого в большинстве случаев градуируется конкретно в градусах яркостной температуры.
Любой оптический пирометр имеет особое устройство для монохроматизации (т. е. выделения одноцветных лучей) пучка лучей, попадающих в глаз наблюдателя. Для данной цели используются стеклянные светофильтры из особого красного стекла.
Нить пирометрической лампочки стараются не нагревать выше 1500 °С, а измерение более больших температур осуществляется методом уравнения яркости нити и ослабленной поглощающим фильтром яркости изображения источника излучения.
В соответствии с этим электроизмерительный прибор имеет две градусные шкалы: от 800 до 1400—1500 °С для работы без поглощающего фильтра и до 2000 °С с введенным между объективом и лампочкой поглощающим фильтром.
Оптические пирометры снабжают более высокую точность, чем радиационные, но не дают возможности осуществлять постоянный отсчет температуры либо ее автоматическую запись.
Цветовой способ измерения температуры основан на измерении интенсивностей излучения двух выбранных длин волн.
Цветовой способ измерения температуры теоретически есть самый совершенным. Физические тела, температуру которых приходится измерять, являются значительно чаще серыми излучателями, т. е. такими, каковые, если сравнивать с полностью тёмным телом, излучают не сильный во всех частях спектра. Коэффициенты монохроматической излучательной свойстве этих тел имеют однообразную величину для лучей любой длины волны.
В этом случае отношение интенсивностей излучения не зависит от излучательной свойства тела, и цветовой пирометр, проградуированный по полностью тёмному телу, обязан показывать настоящую температуру серого тела.
Практическое осуществление пирометра, применяющего измерение отношения интенсивностей излучения для двух длин волн, оказывается достаточно сложным, исходя из этого последние не взяли еще широкого распространения.
Фотоэлектрические пирометры. В фотоэлектрических пирометрах чувствительным органом, принимающим излучение раскаленных тел, есть фотоэлемент.
Фотоэлемент является устройством , меняющее собственные электрические особенности в зависимости от качества и количества падающего на его чувствительную поверхность излучения. Серьёзной чёртом фотоэлементов, используемых в фотоэлектрических пирометрах, есть их спектральная чувствительность, т. е. чувствительность к разным частям спектра излучения.
Фотоэлектрические пирометры возможно поделить на три группы. К первой группе направляться отнести фотопирометры, в которых употребляется вся либо большинство спектральной чувствительности фотоэлемента.
Эти фотопирометры реагируют на суммарную энергию излучения нагретого тела. В этом отношении их возможно сравнить с радиационными пирометрами. Фотопирометры данной группы, проградуи-рованные по полностью тёмному телу, дают верные показания только при измерении температуры тел, каковые смогут быть фактически приняты за полностью тёмные.
Ко второй группе относятся фотопирометры, в которых равно как и в оптических пирометрах, употребляется энергия излучения в узком диапазоне длин волн.
К третьей группе относятся цветовые фотопирометры, воздействие которых основано на измерении отношения интенсивностей излучения двух заданных длин волн.
В литературе описывается большое количество конструкций и различных схем фотопирометров, но серийно отечественной индустрией выпускается лишь один тип ФЭП-3, предназначенный для измерения температуры прокатываемого металла в прокатных цехах. Прибор дает показания яркостной температуры и выпускается по классу 1.
Для измерения температуры при нагреве подробностей либо изделий токами высокой частоты возможно использован фотоэлектрический пирометр, созданный НИИ ТВЧ им. проф. В. П. Вологдина. Головка этого прибора возможно установлена конкретно на индукторе либо отнесена от него на некое расстояние.
Фотопирометр позволяет машинально отключать генератор при нагреве заготовки до заданной температуры.
