Действие дилатометрических и биметаллических термометров основано на различии температурных коэффициентов линейного расширения твердых тел а.

ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

Температура является одним из основных параметров, определяющих ход и продолжительность многих процессов в ли­тейных и термических цехах. Точная оценка температуры опреде­ляет эффективность автоматического управления. Многообразие поставленных задач обусловило появление и развитие большого числа разнообразных методов и устройств измерения температуры. Под температурой понимается величина, характеризующая теп­ловое состояние тел и определяемая количеством внутренней кине­тической энергии теплового движения молекул. * Измерить температуру, подобно тому как измеряют длину, массу или объем, нельзя, так как температуры не складываются. Не существует такой единицы температуры, которой можно непо­средственно измерять любую температуру, подобно тому как метром измеряют любую длину. Длина, масса и объем — примеры экстенсивных (количественных) свойств системы. Если металли­ческий стержень разделить на несколько частей, температура каждой из них от этого не изменится. Температура — пример интенсивных (качественных) свойств системы. Следовательно, для измерения температуры необходимо использовать объективную связь между температурой и любой экстенсивной величиной: из­менением объема, длины и т. п.

В настоящее время предусматривается применение двух тем­пературных шкал: термодинамической и международной практи­ческой.

Термодинамическая шкала базируется на втором законе тер­модинамики, связывающим количество содержащегося в теле тепла, с его температурой. Эта шкала была предложена в сере­дине прошлого века английским ученым Томсоном, получившим за свои научные открытия титул лорда Кельвина, и носит в на­стоящее время его имя. Температуру, измеряемую по этой шкале, обозначают буквой Т, за единицу в ней принят кельвин — К. Термодинамической эта шкала называется потому, что измерение температуры проводится на основании термодинамического закона работы идеального теплового двигателя по циклу Карно. Один градус по термодинамической шкале соответствует повышению температуры, которое равно 1/100 части работы по циклу Карно между точками плавления льда и кипения воды. Такой подход к определению одного градуса был обусловлен сохранением преем­ственности со стоградусной шкалой Цельсия.

В производственной практике наиболее широко используется Международная практическая температурная шкала 1968 г. (МРТП—68), которая совпадает с термодинамической шкалой и позволяет расширить температурный диапазон работы приборов. Она установлена для интервалов температур 13,81... 6300 К-

При измерении разности температур градус Цельсия (°С) в точности равен Кельвину, но в Международной практической шкале за 0 °С принята температура тающего льда при нормальном атмосферном давлении, а температура кипящей воды при том же давлении принята за 100 °С. Для перехода от температуры в кельвинах (Т) к температуре в градусах Цельсия (t) и наоборот служит формула

Т =t + 273,15.

Для измерения температуры твердых, жидких и газообразных сред на практике используется большое число разнообразных устройств, которые в общем носят названия термометров.

Все технические приборы по методу измерения температуры подразделяют на две группы: контактные и бесконтактные. К пер­вой группе относятся термометры расширения, монометрические, термоэлектрические термометры и электрические термометры со­противления (терморезисторы). Во вторую группу входят пиро­метры различного типа. Приведенная классификация положена в основу при рассмотрении приборов и устройств контроля тем­пературы.

ТЕРМОМЕТРЫ РАСШИРЕНИЯ

Как правило при повышении температуры тела увели­чиваются в объеме. Поэтому свойство изменять объем при нагреве или охлаждении может служить мерой его температуры. Приборы, работа которых основана на этом принципе, называют термометра­ми расширения; их подразделяют на три группы: жидкостные стеклянные, дилатометрические (стержневые) и биметаллические. ф Принцип действия жидкостных стеклянных термометров осно­ван на различии коэффициентов объемного расширения жидко­сти (термометрические вещества) и стекла, используемого для удержания жидкости.

Жидкостные термометры представляют собой небольшой стек­лянный (реже кварцевый) резервуар (ампулу), верхняя часть ко­торого переходит в вертикальный капилляр.

Резервуар и частично капилляр заполнены термометрической жидкостью. Резервуар современных жидкостных термометров — вытянутый (или сплющенный) цилиндр. Диаметр капилляра вы­бирают в зависимости от диапазона и точности измерения темпе­ратуры. Чем выше точность термометра, тем меньше диаметр капилляра.

В зависимости от диапазона измерения в качестве термометри­ческой жидкости используют пентан (—200... +20 °С), петролей-ный эфир (—120... +25 °С), этиловый спирт (—80... +70 °С), толуол (—90... +200 °С), керосин (—60... +300 °С) и ртуть (—35... +750 °С).

При контакте с контролирующей средой термометр принимает ее температуру, а термометрическая жидкость нагревается или ох­лаждается, изменяя свой объем, т. е. уровень в капилляре. Именно по уровню жидкости судят о температуре.

Наиболее распространены ртутные термом етры, что обуслов­лено целым рядом причин. Во-первых, ртуть остается жидкой в диапазоне температур —38... +350 °С при нормальном давле­нии и до +750 °С при небольшом повышении давления (для чего капилляр заполняется азотом) и обеспечивает высокую точность измерения. Во-вторых, ртуть легко поддается очистке, ее нары в ка­пилляре создают малое давление, она не смачивает стекло. По­следнее позволяет использовать капилляры с диаметром канала до 0,1 мм. Однако по сравнению с органическими жидкостями ртуть имеет в 8 раз меньший коэффициент объемного расширения, что естественно снижает чувствительность ртутных термометров 4 (табл. 2).

Органические жидкости характеризуются в свою очередь меньшими стоимостью и вредностью в эксплуатации. Их приме­няют для измерения более низких температур. Вследствие смачи­вания стекла термометры с органическими жидкостями имеют меньшую точность измерения.

Для обеспечения задач позиционного регулирования и сигна­лизации температуры разработаны электроконтактные (ртутно-контактные) технические термометры двух типов: с постоянными контактами и подвижным верхним контактом.

Первый тип представляет собой ртутный термометр с впаян­ными в капилляр платиновыми контактами. Нижний (нулевой) контакт находится ниже начала шкалы, а верхний (их может быть несколько) впаян на уровне отметки шкалы, которая соответствует контролируемой температуре. В электроконтактных термометрах второго типа перемещающийся верхний контакт изготовляют из тонкой вольфрамовой проволоки. Контакт перемещают внутри капилляра с помощью постоянного магнита. Такой термометр обычно оснащается двумя шкалами: верхней — для установки контакта на заданную температуру, и нижней, по которой произ­водится отсчет температуры.

Преимуществами жидкостных термометров являются простота их устройства и небольшая стоимость при относительно высокой точности показаний. К числу недостатков жидкостных термометров относятся значительная тепловая инерция (запаздывание показа­ний), невозможность автоматической регистрации и передачи на расстояние без дополнительных специальных приспособлений и низкая прочность. В литейных и термических цехах их исполь­зуют только для измерения температуры воздуха цеха, темпера­туры свободных концов термопары, для проверки приборов в лабораторных условиях, для измерения температуры охлажда­ющей жидкости в закалочных баках и ваннах и т. п.

Действие дилатометрических и биметаллических термометров основано на различии температурных коэффициентов линейного расширения твердых тел а.

Термочувствительным элементом биметаллического термометра является биметаллическая пластина, спираль или диск. Биметалл получают сваркой полос двух метал­лов с разными коэффициентами линейного расширения с последующей прокаткой до нужной толщины. Принцип действия биметаллического термометра основан на использовании разности коэффициентов линейного расширения. При изменении температуры термочувствительного элемента его свободный конец прогибается или поворачивается на определен­ный угол в сторону металла с меньшим коэффициентом линейного расширения.

Промышленность выпускает несколько типов биметаллических термометров с разной формой термочувствительного элемента. На их базе разработано несколько видов малогабаритных показы­вающих приборов и сигнализаторов.

Схема устройства наиболее простого биметаллического термо­метра (преобразователя): На пластмассовом основании 5 закреплены две пластины: обыкновенная и биметал­лическая 4. На биметаллической закреплен контакт 3, а на обык­новенной установлен задающий винт 2, предназначенный для из­менения пределов срабатывания. Все устройство помещено в за­щитный кожух /. При изменении температуры окружающей среды биметаллическая пластина 4 прогибается и замыкает контакты.

Диапазон измеряемых температур с помощью биметаллических термометров +50... +400 °С. Погрешность термометров лежит в пределах ±4 %. Достоинствами термометра являются простота устройства, низкая стоимость и значительная разрывная мощ­ность контактного устройства. К недостаткам относятся большая инерционность и гистерезисный характер зависимости положения контактов от температуры, т. е. несовпадение температуры замыка­ния и размыкания контактов.

Оптические пирометры. В основу оптических методов изме­рения температуры тел, обладающих сплошным спектром излучения, положено сравнение яркости излучения объекта с яркостью нити пирометрической лампы.

Радиационные пирометры Чувствительный элемент выполнен из десяти хромель-копелевых термопар, соединенных последовательно, что позволяет зна­чительно повысить чувствительность прибора. Для лучшего по­глощения тепловой энергии к рабочим концам термопар припаяны зачерненные с лицевой стороны тонкие пластины из платиновой фольги. Свободные концы термопар приварены к тонким пласти­нам, с помощью которых термопары крепят на слюдяном кольце. Фольвга нагревается излучением

 

Метод измерения температур при помощи термоэлектрических термометров (термопар)основан на существовании зависимости между электродвижущей силой (термо-э. д. с), возникающей в цепи, составленной из двух разнородных термоэлектродов (проводников или полупроводников), и температурами мест их соединения.Возникновение термо-э. д. с. связано с наличием в веществе термоэлектродов свободных электронов, причем в различных металлах с различной концентрацией.

Манометрические приборы. Их работа связана с изменением давления жидкости в приборе с изменением температуры

термометры сопротивления унифицированной конструкции для измерения температуры газообазных и жидких сред. Термометр сопротивления (термочувствительный элемент) пред­ставляет собой металлическую проволоку, намотанную на каркас. Термометр состоит из чувстви­тельного элемента 6, помещенного в защитный стальной чехол 5, на который приварен штуцер с резьбой 4, служащий для крепле­ния термометра. С помощью проводов, армированных фарфоровыми бусами 3, чувствительный элемент соединяется с клеммной колодкой 2, расположенной в корпусе /.