Методы и средства измерения температуры

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.