Kaasaegsed temperatuuri mõõtmise vahendid. Temperatuuri mõõtmise meetodid ja vahendid üldteave. Vedelklaasist termomeetrite vead

Föderaalne haridusagentuur
Riiklik kutsekõrgharidusasutus Rybinski Riiklik Lennundustehnoloogia Akadeemia nimega P.A. Solovjova.
Sotsiaal- ja majandusteaduskond
Osakond – Tootmiskorraldus ja kvaliteedijuhtimine
KURSUSETÖÖ
MÕÕTMEMEETODID JA -VAHENDID
TEMPERATUURI MÕÕTMISE MEETODID JA -VAHENDID. IGA MEETODI EELISED JA MIINUSED. MÕÕTEVAHENDITE METROLOOGILINE TUGI.
Selgitav märkus
Lõpetanud: UKT-06 rühma õpilane		Danilo M.I.
“___”__________ 2008
Kontrollis: vanemlektor		Lebedeva I.G.
“___”__________ 2008
Rybinsk 2008

Sissejuhatus

Masinatööstuse tehnoloogiliste sõlmede suure jõudlusega, ökonoomne ja ohutu käitamine eeldab kasutamist kaasaegsed meetodid ning tootmisprotsessi kulgu ja seadmete seisukorda iseloomustavad suuruste mõõtmise vahendid.

Peamised parameetrid (kogused), mida tuleb seadmete töötamise ajal jälgida, on erinevate kandjate temperatuur; gaaside ja vedelike vool, rõhk, koostis; metalli koostis; valtstoodete geomeetrilised mõõtmed. Automaatsed instrumendid mõõdavad temperatuuri: metallurgiliste ahjude tööruumides sulatatud ja kuumutatud metalli, tulekindla müüritise elemente, regeneraatorite ja rekuperaatorite konstruktsiooni, samuti kütuse põlemisprodukte.

Meetodid ja tehnilised vahendid
temperatuuri mõõtmised

1.1 TEMPERATUURI MÕÕTMINE

Temperatuuri mõõtmiseks on kaks peamist viisi – kontakt ja mittekontaktne. Kontaktmeetodid põhinevad temperatuurimõõtemuunduri otsesel kokkupuutel uuritava objektiga, mille tulemusena saavutatakse anduri ja objekti vahel termilise tasakaalu seisund. Sellel meetodil on oma puudused. Objekti temperatuuriväli moondub, kui sellesse sisestatakse soojusandur. Anduri temperatuur erineb alati objekti tegelikust temperatuurist. Temperatuuri mõõtmise ülempiir on piiratud materjalide omadustega, millest temperatuuriandurid on valmistatud. Lisaks ei saa kontaktmeetodiga lahendada mitmeid probleeme, mis on seotud suurel kiirusel pöörlevate ligipääsmatute objektide temperatuuri mõõtmisega.

Vastavalt tööpõhimõttele on kõik termomeetrid jagatud järgmistesse rühmadesse, mida kasutatakse erinevate temperatuurivahemike jaoks:

1 Paisutermomeetrid vahemikus -260 kuni +700 °C, mis põhinevad vedelike mahu muutustel või

temperatuurimuutustega tahked ained.

2 manomeetrilist termomeetrit vahemikus -200 kuni +600 °C, temperatuuri mõõtmine rõhu alusel

vedelik, aur või gaas suletud mahus temperatuurimuutustest.

3. Standardsed elektritakistustermomeetrid vahemikus -270 kuni +750 °C, konverteerivad

temperatuuri muutus juhtide või pooljuhtide elektritakistuse muutuseks.

4. Termoelektrilised termomeetrid (või püromeetrid), standardne vahemikus -50 kuni +1800 °C, põhinevad

mille teisendus seisneb elektromotoorjõu väärtuse sõltuvuses ristmiku temperatuurist

erinevad juhid.

Kiirguspüromeetrid vahemikus 500 kuni 100 000 °C, põhinevad temperatuuri mõõtmisel väärtuse järgi

kuumutatud keha kiirgava kiirgusenergia intensiivsus,

Termomeetrid, mis põhinevad elektrofüüsikalistel nähtustel vahemikus -272 kuni +1000 °C (termiline müra

termoelektrilised muundurid, mahuresonantstermomuundurid, tuumaresonants

1.2 Temperatuuri mõõtmise meetodid

Keha temperatuuri määramiseks on vaja valida temperatuuristandard, st keha, mis teatud tingimustel tasakaalus ja üsna kergesti reprodutseeritav omaks teatud temperatuuriväärtust. See temperatuuriväärtus on vastava temperatuuriskaala võrdluspunkt - temperatuuriväärtuste järjestatud jada, mis võimaldab teil mõõta konkreetse keha temperatuuri. Temperatuuriskaala võimaldab kaudselt määrata kehatemperatuuri, mõõtes otseselt selle mis tahes temperatuurist sõltuvaid füüsikalisi parameetreid.

Temperatuuriskaala saamiseks kasutatakse kõige sagedamini vee omadusi. Jää sulamistemperatuur ja vee keemistemperatuur normaalsel atmosfäärirõhul on võrdluspunktideks valitud kaasaegsetes (kuid mitte tingimata originaalsetes) temperatuuriskaalades, mille on välja pakkunud Anders Celsius (1701–1744), René Antoine Ferchaux Reaumur (1683–1757), Daniel Gabriel Fahrenheit (1686–1736). Viimane lõi esimesed praktilised piirituse- ja elavhõbedatermomeetrid, mis on laialdaselt kasutusel ka tänapäeval. Reaumuri ja Fahrenheiti temperatuuriskaalad on praegu kasutusel USA-s, Suurbritannias ja mõnes teises riigis.

Tänapäeval kasutatakse laialdaselt 1742. aastal kasutusele võetud Celsiuse temperatuuriskaala, mis pakkus välja, et jää sulamise ja normaalrõhul (1 atm ehk 101 325 Pa) keeva vee temperatuuride vaheline temperatuurivahemik tuleb jagada sajaks võrdseks osaks (Celsiuse kraadid). , kuigi rafineeritumal kujul, kui ühte Celsiuse kraadi peetakse võrdseks ühe kelviniga (vt allpool). Sel juhul võetakse jää sulamistemperatuuriks 0 oC ja vee keemistemperatuuriks saab ligikaudu 99,975 oC. Sel juhul tekkivad parandused ei ole reeglina märkimisväärsed, kuna enamikul kasutatavatest alkoholi-, elavhõbeda- ja elektroonilistest termomeetritest ei ole piisavat täpsust (kuna see pole tavaliselt vajalik). See võimaldab teil neid väga väikeseid parandusi ignoreerida.

Alates rahvusvahelise mõõtühikute süsteemi (SI) kasutuselevõtust on soovitatud kasutada kahte temperatuuriskaalat. Esimene skaala on termodünaamiline, mis ei sõltu kasutatava aine (töövedeliku) omadustest ja viiakse sisse Carnot tsükli kaudu. Seda temperatuuriskaalat käsitletakse üksikasjalikult kolmandas peatükis. Pangem lihtsalt tähele, et selle temperatuuriskaala temperatuuriühik on üks kelvin (1 K), üks seitsmest SI-süsteemi baasühikust. See ühik on oma nime saanud inglise füüsiku William Thomsoni (lord Kelvin) (1824 - 1907) järgi, kes töötas selle skaala välja ja jättis temperatuuriühiku samaks, mis Celsiuse temperatuuriskaalal. Teine soovitatav temperatuuriskaala on rahvusvaheline praktiline skaala. Sellel skaalal on 11 võrdluspunkti - mitmete puhaste ainete faasisiirde temperatuurid ja nende temperatuuripunktide väärtusi täpsustatakse pidevalt. Temperatuuri mõõtühikuks rahvusvahelises praktilises skaalas on samuti 1 K.

Praegu on nii termodünaamilise skaala kui ka rahvusvahelise praktilise temperatuuriskaala peamiseks võrdluspunktiks vee kolmikpunkt. See punkt vastab rangelt määratletud temperatuuri ja rõhu väärtustele, mille juures vesi võib samaaegselt eksisteerida tahkes, vedelas ja gaasilises olekus. Veelgi enam, kui termodünaamilise süsteemi oleku määravad ainult temperatuuri ja rõhu väärtused, võib kolmikpunkt olla ainult üks. SI-süsteemis võetakse vee kolmikpunkti temperatuuriks 273,16 K rõhul 609 Pa.

Lisaks temperatuuristandardi abil määratud võrdluspunktide täpsustamisele on vaja valida keha termodünaamiline omadus, mida kirjeldab füüsikaline suurus, mille muutumine on märk temperatuuri muutusest või termomeetriline märk. See omadus peaks olema üsna kergesti reprodutseeritav ja füüsikaline suurus peaks olema kergesti mõõdetav. Määratud füüsikalise suuruse mõõtmine võimaldab meil saada võrdluspunktide suhtes vahepealsete temperatuuripunktide (ja neile vastavate temperatuuriväärtuste) komplekti.

Keha, mille termomeetrilist omadust kasutatakse temperatuuri mõõtmiseks, nimetatakse termomeetriliseks kehaks.

Termomeetrilised märgid võivad olla muutused: gaasi või vedeliku ruumala, kehade elektritakistus, elektripotentsiaali erinevus kahe juhtiva keha liideses jne. Nendele omadustele vastavad temperatuuri mõõtmise instrumendid (termomeetrid) on: gaasi- ja elavhõbedatermomeetrid, termomeetrid, mis kasutavad andurina termotakistust või termopaari.

Viies termomeetrilise keha (termomeetri anduri) soojuskontakti kehaga, mille temperatuuri on vaja mõõta, on termodünaamika nullseadusele tuginedes võimalik väita, et termodünaamilise tasakaalu saavutamiseks piisava aja möödudes, temperatuurid muutuvad võrdseks. See võimaldab määrata kehale sama temperatuuri väärtuse, mida termomeeter näitab.

Teine temperatuuri mõõtmise meetod on rakendatud püromeetrites - seadmetes kehade heleduse temperatuuri mõõtmiseks nende soojuskiirguse intensiivsuse alusel. Sel juhul saavutatakse termodünaamilise süsteemi tasakaaluolek, mis koosneb püromeetrist endast ja selle poolt vastuvõetavast soojuskiirgusest. Seda nähtust käsitletakse üksikasjalikumalt kursuse osas, mis on pühendatud tasakaalulise soojuskiirguse kvantomadustele. Märgime praegu vaid seda, et optilist püromeetriat (kontaktivabad meetodid temperatuuride mõõtmiseks) kasutatakse metallurgias sula- ja valtstoodete temperatuuri mõõtmiseks, labori- ja tootmisprotsessides, kus on vaja mõõta kuumutatud gaaside temperatuuri. samuti plasmauuringutes.

Esimese termomeetri leiutas Galileo Galilei (1564–1642) ja see oli gaasitermomeeter.

Konstantse mahuga gaasitermomeeter koosneb termomeetrilisest korpusest - gaasiosast, mis on suletud anumasse, mis on toruga ühendatud manomeetriga. Mõõdetud füüsikaline suurus (termomeetriline karakteristik), mis võimaldab temperatuuri määrata, on gaasi rõhk teatud fikseeritud ruumala juures. Mahu püsivus saavutatakse sellega, et vasakpoolse toru vertikaalse liikumisega viiakse tase manomeetri parempoolses torus samale väärtusele (võrdlusmärk) ja sel hetkel vedeliku tasemete kõrguste erinevus. manomeetris mõõdetakse. Erinevate korrektsioonide (näiteks termomeetri klaasosade soojuspaisumine, gaasi adsorptsioon jne) arvessevõtmine võimaldab saavutada konstantse mahuga gaasitermomeetriga temperatuuri mõõtmise täpsuse, mis on võrdne ühe tuhandiku kelviniga.

Gaasitermomeetrite eeliseks on see, et madala gaasitiheduse juures nende abil määratud temperatuur ei sõltu kasutatava gaasi olemusest ning gaasitermomeetri skaala ühtib hästi absoluutse temperatuuriskaalaga (sellest tuleb täpsemalt juttu allpool) . Teises peatükis kirjeldame täpsemalt ideaalset gaasitermomeetrit, mis määrab absoluutse temperatuuriskaala.

Gaasitermomeetreid kasutatakse teist tüüpi termomeetrite, näiteks vedelate termomeetrite kalibreerimiseks. Praktikas on need mugavamad, kuid gaasitermomeetri suhtes kalibreeritud vedeliku termomeetri skaala on reeglina ebaühtlane. See on tingitud asjaolust, et vedelike tihedus sõltub mittelineaarselt nende temperatuurist.

Vedeliku termomeeter on igapäevaelus kõige sagedamini kasutatav termomeeter, mis põhineb vedeliku mahu muutumisel selle temperatuuri muutumisel. Elavhõbeklaasist termomeetris on termomeetriline korpus elavhõbe, mis on paigutatud kapillaariga klaasanumasse. Termomeetriline karakteristik on kaugus kapillaaris olevast elavhõbeda meniskist suvalise fikseeritud punktini. Elavhõbedatermomeetreid kasutatakse temperatuurivahemikus -35 oC kuni mitmesaja kraadi Celsiuse järgi. Kell kõrged temperatuurid ah (üle 300 oC), pumbatakse kapillaari lämmastikku (rõhk kuni 100 atm ehk 107 Pa), et vältida elavhõbeda keemist. Talliumi kasutamine vedelas termomeetris elavhõbeda asemel võimaldab temperatuuri mõõtmise alumist piiri oluliselt langetada -59 oC-ni.

Teist tüüpi sagedamini kasutatavad vedelikutermomeetrid on alkohol (-80 oC kuni +80 oC) ja pentaan (-200 oC kuni +35 oC). Pange tähele, et vett ei saa kasutada termomeetrilise kehana vedelas termomeetris: vee maht esmalt langeb temperatuuri tõustes ja seejärel suureneb, mistõttu ei ole võimalik kasutada vee mahtu termomeetrilise tunnusena.

Mõõtmistehnoloogia arenedes on kõige mugavamateks tehnilisteks termomeetritüüpideks muutunud sellised, mille termomeetriliseks märgiks on elektriline signaal. Need on soojustakistused (metall ja pooljuht) ja termopaarid.

Metallitakistustermomeetris põhineb temperatuuri mõõtmine metalli takistuse suurenemise nähtusel temperatuuri tõusuga. Enamiku toatemperatuuri lähedal olevate metallide puhul on see sõltuvus lähedane lineaarsele ja puhaste metallide puhul on nende takistuse suhteline muutus temperatuuri tõusuga 1 K võrra (temperatuuri takistuse koefitsient) väärtus, mis on lähedane 4 * 10-3 1/K . Termomeetriline karakteristik on termomeetrilise korpuse – metalltraadi – elektritakistus. Kõige sagedamini kasutatavad juhtmed on plaatinatraat, samuti vasktraat või nende erinevad sulamid. Selliste termomeetrite kasutusala ulatub vesiniku temperatuuridest (~20 K) sadade Celsiuse kraadideni. Metalltermomeetrite madalatel temperatuuridel muutub takistuse sõltuvus temperatuurist oluliselt mittelineaarseks ja termomeeter nõuab hoolikat kalibreerimist.

Pooljuhtide takistustermomeetris (termistoris) põhineb temperatuuri mõõtmine pooljuhtide takistuse vähenemise nähtusel temperatuuri tõusuga. Kuna pooljuhtide temperatuuritakistustegur absoluutväärtuses võib oluliselt ületada metallide vastavat koefitsienti, võib selliste termomeetrite tundlikkus oluliselt ületada metallitermomeetrite tundlikkust.

Spetsiaalselt valmistatud pooljuhtsoojustakisteid saab kasutada mitme kelvini suurusjärgus madalatel (heeliumi) temperatuuridel. Siiski tuleb arvestada, et tavalistes pooljuhttakistites tekivad defektid madalate temperatuuride mõjul. See toob kaasa mõõtmistulemuste reprodutseeritavuse halvenemise ja nõuab spetsiaalselt valitud pooljuhtmaterjalide kasutamist soojustakistustes.

Termopaarides rakendatakse teist temperatuuri mõõtmise põhimõtet. Termopaar on kahest erinevast metalljuhist keevitatud elektriahel, mille üks ristmik on mõõdetud temperatuuril (mõõteühendus) ja teine (vaba ristmik) on teadaoleval temperatuuril, näiteks toatemperatuuril. Ühenduste temperatuuride erinevuse tõttu tekib elektromotoorjõud (termo-EMF), mille mõõtmine võimaldab määrata ristmike temperatuuride erinevust ja sellest tulenevalt ka mõõteühenduse temperatuuri.

Sellises termomeetris on termomeetriline korpus kahe metalli ühenduskoht ja termomeetriline tunnus on ahelas tekkiv termo-EMF. Termopaaride tundlikkus ulatub ühikutest sadade μV/K-ni ning mõõdetud temperatuuride vahemik on mitmekümnest Kelvinist (vedela lämmastiku temperatuur) kuni pooleteise tuhande Celsiuse kraadini. Kõrgete temperatuuride korral kasutatakse väärismetallidest termopaare. Enimkasutatavad termopaarid põhinevad järgmiste materjalide ühenduskohtadel: vask-konstantaan, raud-konstantaan, kromel-alumel, plaatina-roodium-plaatina.

Tuleb märkida, et termopaar suudab mõõta ainult temperatuuri erinevust mõõte- ja vabaühenduste vahel. Vaba ristmik asub tavaliselt toatemperatuuril. Seetõttu on termopaariga temperatuuri mõõtmiseks vaja kasutada täiendavat termomeetrit toatemperatuuri määramiseks või süsteemi vaba ristmiku temperatuurimuutuste kompenseerimiseks.

Raadiotehnikas kasutatakse sageli müra temperatuuri mõistet, mis on võrdne temperatuuriga, milleni takistit tuleb kuumutada, mis on sobitatud elektroonikaseadme sisendtakistusega, nii et selle seadme ja takisti soojusmüra võimsus on võrdne. teatud sagedusriba. Sellise kontseptsiooni kasutuselevõtu võimalus tuleneb keskmise müravõimsuse (elektritakistuse mürapinge keskmine ruut) proportsionaalsusest takistuse absoluutse temperatuuriga. See võimaldab mürapinget kasutada temperatuuri mõõtmisel termomeetrilise allkirjana. Müratermomeetreid kasutatakse madalate temperatuuride (alla mõne kelvini) mõõtmiseks, samuti raadioastronoomias kosmoseobjektide kiirguse (heleduse) temperatuuri mõõtmiseks.

1.2.1 TEMPERATUURI MÕÕTMISE MÕÕTMISE MITTEKONTAKTSE MEETODI PÕHIMÕTTE KIRJELDUS

Termopiilid on järjestikku ühendatud termoelemendid, mis kasutavad tuntud Seebecki efekti. Termoelement koosneb kahest elektrit juhtivast materjalist, mis on paigutatud juhtivate radade kujul ja mis on ühes punktis üksteisega kontaktis (nn kuum ristmik). Kui välismõjude mõjul tekib kokkupuutepunkti (kuum ristmik) ja mõlema lahtise otsa (külmühendus) vahel temperatuuride erinevus, siis tekib termoelementide mõlemasse otsa mitmemillivoldine pinge.

Kontaktivaba temperatuuri mõõtmise meetodi korral põhjustab kuuma ristmiku punkti temperatuuri tõusu selle neeldumine. infrapunakiirgus. Iga objekt kiirgab infrapunavalgust ja selle valguse energia suureneb objekti temperatuuri tõustes. Selle efekti alusel mõõdavad Thermopile moodulid kiirgusvõimsust ja määravad seega suure täpsusega objekti temperatuuri.

1.2.2 TEMPERATUURI MÕÕTMISE LUMINESTSENTSI MEETOD

Temperatuuri mõõtmise luminestsentsmeetodid põhinevad osade fosforite luminestsentskiirguse intensiivsuse sõltuvusel temperatuurist, mida kasutatakse erinevates temperatuurimõõteandurites ja termokatetes.

Kaasaegsed fiiberoptilised andurid võimaldavad mõõta paljusid labori- ja tööstusrajatiste omadusi, eelkõige temperatuuri. Vaatamata asjaolule, et nende kasutamine on üsna töömahukas, annab see selliste andurite praktikas kasutamisel mitmeid eeliseid:

mitteinduktsioon (st ei ole vastuvõtlik elektromagnetilise induktsiooni mõjule); väikesed anduri suurused, elastsus, mehaaniline tugevus, kõrge korrosioonikindlus jne.

1. Soojuskiirguse andur. Temperatuuri mõõtmise seadmetena saab kasutada soojuskiirgusel põhinevaid fiiberoptilisi andureid, mille olemus, eelkõige avalikustatud, on järgmine. Uuritav aine temperatuuril üle 0 K kiirgab aatomite ja molekulide termilise vibratsiooni tõttu soojuskiirgust. Kiirgusenergia suureneb temperatuuri tõustes ja lainepikkus, mille juures kiirgus on maksimaalne, väheneb. Vastavalt sellele saate temperatuuri määramiseks kasutada Plancki valemit musta keha soojuskiirguse energia kohta fikseeritud lainepikkusel või lainevahemikus.

Selle meetodi peamine eelis on kõrgete temperatuuride kontaktivaba mõõtmise võimalus. Sõltuvalt mõõdetud temperatuurivahemikust valitakse valgusdetektorid ja optilised kiud. Kiudoptiliste kiirgusandurite temperatuuri mõõtmise vahemik on 400–2000 °C. Kui kasutatakse 2 mikroni või enama lainepikkusega infrapunakiirtele läbipaistvaid optilisi kiude, saab mõõta madalamaid temperatuure.

2. Andur, mis põhineb pooljuhi valguse neeldumisel. Tuntud on ka fiiberoptilised andurid, mille töö põhineb teatud pooljuhtide optilistel omadustel. Kasutataval pooljuhil on optilise neeldumisspektri piirav lainepikkus. Valguse puhul, mille lainepikkus on lühem kui juhil, neeldumine suureneb ja temperatuuri tõustes liigub piirlainepikkus pikemate lainepikkuste suunas (umbes 3 nm/K). Kui pooljuhtkristallile suunatakse valgusallika kiir, mille kiirgusspekter on neeldumisspektri määratud piiri läheduses, väheneb temperatuuri tõustes sensori valgustundlikku osa läbiva valguse intensiivsus. Anduri väljundsignaali põhjal saab seda meetodit kasutades salvestada temperatuuri.

Kasutades seda meetodit Saate mõõta temperatuure vahemikus 30 kuni 300 °C veaga ±0,5 °C.

3. Fluorestsentsil põhinev andur. See andur on konstrueeritud järgmiselt. Valgustundliku osa optilise kiu otsa kantakse fluorestseeruv aine. Optilise kiu poolt juhitavate ultraviolettkiirte mõjul tekkiv fluorestseeruv kiirgus võtab vastu sama kiud. Temperatuurisignaali tuvastamiseks arvutatakse tugevalt temperatuurist sõltuva lainepikkusega signaali vastavate fluorestsentskiirguse intensiivsuse väärtuste suhe erineva lainepikkusega, nõrgalt temperatuurist sõltuva signaali intensiivsusega.

Sellise anduriga mõõdetud temperatuuride vahemik on vahemikus -50 kuni 200 °C veaga ±0,1 °C.

Kiudoptiliste andurite kasutamine võimaldab kogu selle atraktiivsuse juures mõõta temperatuuri ainult objekti kohalikus punktis, mis mõnevõrra kitsendab nende rakendusala.

Järeldus

Temperatuur on üks peamisi parameetreid, mida kontrollivad metallurgiaprotsesside automaatsed juhtimissüsteemid. Agressiivse keskkonna ja kõrge temperatuuri tingimustes sobivad kõige paremini fotoelektrilised püromeetrid. Need võimaldavad teil reguleerida temperatuure vahemikus 100 kuni 6000 0C ja üle selle. Nende seadmete üks peamisi eeliseid on kuumutatud keha temperatuurivälja mõju puudumine arvestile, kuna mõõtmisprotsessi ajal ei puutu need üksteisega otseselt kokku. Fotoelektrilised püromeetrid võimaldavad ka pidevat automaatset temperatuuri mõõtmist ja salvestamist, mis võimaldab neid kasutada automaatsetes protsessijuhtimissüsteemides ilma lisakuludeta liideseseadmete ostmiseks ja hooldamiseks.

Käesolevas töös esitatud luminestsentsmõõtmismeetodite ülevaade

temperatuuril võrreldes kontaktmeetoditega on samad eelised kui optilistel meetoditel. Samal ajal on see temperatuuri uurimise protsessi korraldamisel vähem keeruline ja teiste optiliste meetoditega võrreldes mitte vähem täpne. Lisaks võimaldab luminestsentsomaduste kasutamine välja töötada meetodeid keeruka geomeetrilise kujuga objektide temperatuuriväljade mõõtmiseks.

Ülaltoodud ülevaatest nähtub, et luminestsentsmeetodeid kasutavate temperatuurimõõtmistehnoloogiate edasiarendamise ja täiustamise vajadus on ilmne

Kasutatud allikate loetelu.

Preobraženski V.P . Soojusmõõtmised ja instrumendid. M.: Energeetika, 1978, - 704 s.

Chistyakov S. F., Radun D. V. Soojusmõõtmised ja instrumendid. M.: Kõrgkool, 1972, - 392

Mõõtmised tööstuses: viide. Ed.

Nikonenko V.A., Sild Yu.A., Ivanov I.A. Termopildistusseadmete mõõtmise metroloogilise tugisüsteemi väljatöötamine. - Mõõtetehnoloogia, nr 4, 2004, lk. 48-51 metroloogiline ... jaoks iga muutuda temperatuuri muutumine...

Teenused elektrienergia ja elektrienergia koguse arvestamine
Lõputöö >> Füüsika
4 Analüüs metroloogiline omadused 4.1... iga toorikuid toodetakse samamoodi temperatuuri... Kuidas väärikust, nii vead ... meetod analüüs. - M.: Keemia, 1984. Kataloog. Seadmed ja rajatised automatiseerimine. Nr 7. M. 1989. Elektrik mõõdud ...
Püromeetrite kirjeldus ja rakendus
Abstraktne >>
Võrreldes kontaktiga tähendab mõõdud temperatuuri st termomeetrid... mõõdud kaotada oma metroloogiline ... vead püromeetriline (kontaktivaba) meetod enne kontakte. Enne kontakti meetodid mõõdud temperatuuri... ojad, iga alates...
Täpsuse ja tehnilise standardimine mõõdud
Test >> Tööstus, tootmine
... mõõdud ja/või kohaldatav rajatised mõõdud. Näiteks millal mõõtmine pikkus on alati oluline temperatuuri ... väärikust Ja vead ... meetod opositsioonid. METROLOOGIALINE OMADUSED TÄHENDAB MÕÕDUD Hindadeks metroloogiline ...

Temperatuur on statistiline suurus, mis iseloomustab keha termilist olekut ja on võrdeline keha molekulide keskmise kinemaatilise energiaga. Taga temperatuuri ühik võta kelvin (K). Temperatuuri saab väljendada ka Celsiuse kraadides (°C). Kelvini skaala null on absoluutne null, seega on kõik selle skaala temperatuurid positiivsed. Temperatuuride t Celsiuse ja T Kelvini suhe määratakse järgmise võrrandiga:

Temperatuuri pole võimalik otse mõõta, näiteks lineaarseid mõõtmeid. Seetõttu määratakse temperatuur kaudselt - erinevate kehade füüsikaliste omaduste muutuste kaudu, mida nimetatakse termomeetrilisteks.

Temperatuuri mõõtmine on seotud mõõtmisteabe (temperatuuri) signaali muundamisega mingiks temperatuuriga seotud omaduseks.

Temperatuuri mõõtmisega seotud praktilistel eesmärkidel on vastu võetud rahvusvaheline temperatuuriskaala (ITS-90) (joonis 2.89), mis on kohustuslik kõikidele metroloogiaorganitele. See põhineb teatud ainete reprodutseeritavatel tasakaaluseisunditel (võrdluspunktidel), millele on määratud teatud temperatuuriväärtused.

Riis. 2.89. koos võrdluspunktidega (alla joonitud)

Temperatuuri mõõtmiseks põhinevad kõige laialdasemalt kasutatavad meetodid:

Vedelate, gaasiliste ja tahkete kehade soojuspaisumisest (termomehaaniline efekt);

Rõhu muutused suletud ruumala sees koos temperatuuri muutustega (mõõdik);

Kehade elektritakistuse muutused koos temperatuurimuutustega (termistorid);

Termoelektriline efekt;

Kuumutatud kehade elektromagnetkiirguse kasutamine.

Temperatuuri mõõtmiseks mõeldud instrumente nimetatakse termomeetrid . Need on jagatud kahte suurde rühma: kontakt ja mittekontaktne.

Kontakttemperatuuri mõõtmine.

Paisutermomeetreid kasutatakse laialdaselt kontakttemperatuuri mõõtmise praktikas. Mehaaniliste kontakttermomeetrite peamised tüübid, nende metroloogilised omadused, eelised, puudused ja kasutusala on toodud tabelis. 2.18.

Tabel 2.18. Mehaaniliste kontakttermomeetrite põhilised metroloogilised omadused

Seadme nimi	Seadme tüüp	Mõõtmispiirid, °C	Mõõtmisviga,%	Inerts	Eelised	Puudused	Kasutusala
Metallist paisuvad termomeetrid	Dilato mõõdik				Odav, usaldusväärne, lühike reageerimisaeg; väga suured nihutamisjõud	Madal täpsus, suur inerts	Temperatuuri lülitid
Metallist paisuvad termomeetrid	Bimetall isiklik				Odav, usaldusväärne; suured nihutamisjõud	Madal täpsus	Eeldatav temperatuuri reguleerimine, temperatuuri lülitid
Vedeliku termomeetrid	Vedel klaas				Väga odav	Madal mehaaniline tugevus, kaugus puudub	Laboratoorsed termomeetrid, majapidamistermomeetrid
	Vedeliku mõõturid				Odav, usaldusväärne, ei vaja väliseid energiaallikaid; kaugus kuni 50 m, suured reguleerimisjõud	Ühendava kapillaari temperatuur mõjutab instrumendi näitu	Tööstuslikud termomeetrid, termostaadid
	Kondensatsioonimõõturid					Mittelineaarne staatiline karakteristik
Gaasi termomeetrid	Heeliumiga täidetud				Mõõtmispõhimõte vastab termodünaamilise temperatuuri määramisele	Madal mehaaniline tugevus, mõõtmisprotsessi kõrge keerukus	Taatlus (kalibreerimine) töö

Struktuurselt jagunevad need pulgaks (joonis 2.90, a) ja tehnilisteks koos manustatud skaalaga (joonis 2.90, b). Nende tööpõhimõte põhineb klaaskestasse suletud termomeetrilise vedeliku temperatuuri ja mahu vahelisel suhtel. Vedeliku termomeeter koosneb klaaskestast 1, kapillaartorust 3, varureservuaarist 4 ja skaalast 2. Termomeetriline vedelik täidab reservuaari ja osa kapillaartorust. Kapillaari vaba ruum täidetakse inertgaasiga või eemaldatakse sellest õhk.

Riis. 2.90. :

pulk; b - tehniline sisseehitatud skaalaga; 1 - klaaskest; 2 - skaala; 3 - kapillaartoru; 4 - varupaak

Termomeetriliste vedelikena kasutatakse orgaanilisi täiteaineid: tolueen, etüülalkohol, petrooleum, pentaan. Kõige laialdasemalt kasutatavad termomeetrid on elavhõbedaga täidetud termomeetrid. Seda seletatakse elavhõbeda omadustega olla vedelas olekus laias temperatuurivahemikus ja mitte olla klaasist märjaks, mis võimaldab kasutada väikese kanali läbimõõduga (kuni 0,1 mm) kapillaare ja tagab kõrge mõõtetäpsuse. Seega on 1. kategooria elavhõbeda standardtermomeetrite viga 0,002...2°C.

Orgaanilisi täiteaineid iseloomustab madalam pealekandmistemperatuur, madalam hind ja suurem mõõtmisviga.

Klaastermomeetrid jagunevad olenevalt nende eesmärgist ja kasutusalast standard-, laboratoorseteks, tehnilisteks, majapidamis- ja meteoroloogilisteks.

Laboratoorsed termomeetrid võimaldavad mõõta temperatuurivahemikus 0...500°C, mis on jagatud neljaks vahemikuks, mis võimaldab saada mõõtmisvea mitte üle ±0,01 °C (0...60 °C); ±0,02 °C (55...155 °C); ±0,05°C (140...300°C) ja ±0,1°C (300...500°C).

Tehnilistel eesmärkidel kasutatakse ainult sisseehitatud skaalaga termomeetreid, millel on kaks modifikatsiooni: sirge ja nurgeline. Lubatud viga on tavaliselt võrdne jagamise väärtusega. Statsionaarse töö ajal tehnoloogiliste sõlmede erinevates punktides paigaldatakse termomeetrid spetsiaalsetesse metallist kaitsekatetesse (kestadesse).

Positsioneerimis- ja signalisatsiooniülesannete pakkumiseks labori- ja tööstusrajatistes kasutatakse kahte tüüpi spetsiaalseid elektrilisi kontakttehnilisi termomeetreid:

1) joodetud püsikontaktidega, mis tagavad elektriahelate sulgemise ja avamise ühel, kahel või kolmel eelseadistatud temperatuuril;

2) ühe liigutatava kontaktiga (liigub kapillaari sees magneti abil) ja teise fikseeritud kontaktiga, mis on suletud kapillaari, mis tagab elektriahela sulgemise ja avanemise valitud temperatuuri mis tahes väärtusel.

Kapillaaris liikuv elavhõbe avab või sulgeb kontaktide vahelised ahelad, millele antakse alalis- või vahelduvpinge ja mille koormus ei tohiks ületada 0,5 mA pingel kuni 0,3 V.

Bimetallilised ja dilatomeetrilised termomeetrid põhinevad tahkete ainete omadusel muuta temperatuuri muutumisel oma lineaarseid mõõtmeid erineval määral.

Põhimõtteliselt on metallid ja nende sulamid materjalid, millel on kõrge temperatuuriline lineaarpaisumise koefitsient. Niisiis, messingi puhul on see võrdne (18,3...23,6)*10 -6 °C -1, nikkelterase puhul 20*10 -6 °C -1. Samas on sulameid, millel on madal joonpaisumise koefitsient: Invari sulam - 0,9*10 -6 °C -1, sulatatud kvarts - 0,55*10 -6 °C -1.

Joonisel fig. 2.91, ning esitletakse bimetalltermomeetri konstruktsiooni, milles temperatuuritundliku elemendina on kasutatud kahekihilist plaati, mis koosneb oluliselt erinevate lineaarpaisumisteguriga metallidest: messingist 1 ja invar 2. Temperatuuri tõustes muutub eraldusvõimetuks plaadi vaba ots paindub metalli poole väiksema koefitsiendiga, vastavalt Selle liikumise suurust hinnatakse temperatuuri järgi.

Seda tüüpi seadet kasutatakse sageli termoreleena häire- ja automaatjuhtimissüsteemides, samuti temperatuuri kompensaatoritena mõõteseadmetes, näiteks kiirguspüromeetrites, rõhutermomeetrites jne.

Joonisel fig. 2.91, b näitab pneumaatilise dilatomeetrilise temperatuurianduri tundliku elemendi konstruktsiooni.

Riis. 2.91. :

a - bimetall: 1 - messing; 2 - invar; b - dilatomeetriline: 1 - keha; 2 - varras; 3 - toru; 4 - pall; 5 - tõukur; 6 - vedru; 7 - muundur

Messingist (roostevaba teras) korpuses 1 on toru 3 ja varras 2, mis on valmistatud invarist (kvartsist). Varras 2 surutakse läbi toru 3 ja tõukuri 5 vedru 6 abil pidevalt korpuse 1 alumise otsa külge. Kuul 4 välistab varda ja kompensatsioonitoru vahelise tagasilöögi tekkimise, mis on samuti valmistatud messingist ja on mõeldud temperatuurivigade välistamiseks, kui see on paigaldatud erineva paksusega soojusisolatsiooniga objektidele. Kere 1 ja varda 2 pikenemiste erinevuse muutus, mis on võrdeline mõõdetava keskkonna temperatuuri muutusega, muundatakse muunduris 7 pneumaatiliseks signaaliks, võimendatakse ja saadetakse salvestusseadmesse.

Dilatomeetrilised muundurid on saadaval ka elektrilise väljundsignaaliga. Seadme täpsusklass 1,5 ja 2,5 mõõdetud temperatuurivahemikuga -30 kuni +1000 °C.

Vedeliku manomeetrilised termomeetrid (Joonis 2.92) põhinevad hermeetiliselt suletud termomeetrisüsteemi täitva termomeetrilise aine (gaas, vedelik) temperatuuri ja rõhu vahelise seose kasutamisel. Soojussüsteem koosneb termosilindrist 4, kapillaarist 5 ja manomeetrilisest ühe- või mitmepöördevedrust 6. Kapillaar 5 ühendab termosilindri manomeetrilise vedru fikseeritud otsaga. Vedru liikuv ots on tihendatud ja läbi pöördliigendi 7 on juht 3, sektor 2 ühendatud seadme 1 osutiga.

Riis. 2.92. :

1 - nool; 2 - sektor; 3 - jalutusrihm; 4 - termosilinder; 5- kapillaar; 6 - vedru; 7 - pöördliigend

Söötme temperatuuri muutumisel muutub termomeetrilise aine rõhk suletud ruumis, mille tulemusena tundlik element (mõõdikvedru) deformeerub ja selle vaba ots liigub. See liikumine teisendatakse salvestusnõela pöörlemiseks instrumendi skaala suhtes.

Sõltuvalt termomeetrilisest ainest jaotatakse manomeetrilised termomeetrid gaasi-, kondensatsiooni- ja vedelikuks.

IN gaasi termomeetrid termoballoon, kapillaar ja mõõtevedru on täidetud mõne inertse gaasiga (lämmastik, heelium jne). Mõõtmisvahemik on väga lai ja ulatub gaasi kriitilisest temperatuurist (lämmastik - 147 °C, heelium - 267 °C) kuni termosilindri materjali kuumakindluse järgi määratud temperatuurini.

IN kondensatsiooni termomeetrid mõnede madala keemistemperatuuriga vedelike (atsetoon, metüülkloriid, etüülkloriid) küllastunud aurud muudavad rõhku temperatuurimuutustega. Nende seadmete mõõtmispiirkond on 0 kuni +400 °C mõõteveaga ±1%.

IN vedeliku termomeetrid soojussüsteem täidetakse hästi paisuva vedelikuga (elavhõbe, petrooleum, nafta jne). Nende seadmete mõõtepiirkond on -30 kuni +600 °C mõõteveaga ±1%.

Manomeetriliste termomeetrite näitu mõjutavad oluliselt välistingimused: ümbritseva õhu temperatuuri muutused, termosilindri ja vedru erinevad kõrgused, atmosfäärirõhu kõikumised.

Manomeetriliste termomeetrite sideliini pikkus termosilindrist näidikuseadmeni on piiratud, neil on suur inerts ja dünaamiline viga.

Manomeetriliste termomeetrite täpsusklass 1,0; 1,5; 2,5 ja 4,0 töötamisel ümbritseva õhu temperatuurivahemikus 5 kuni 50 ° C ja suhtelise õhuniiskuse juures kuni 80%.

Manomeetrilisi termomeetreid kasutatakse jahutusvee, õhu, vedela ja gaaskütuse temperatuuri mõõtmiseks, tankimisseadmetes jne.

Takistuse termomeetrid.

Resistentsustermomeeter koosneb termistori kujul olevast sensorelemendist, kaitsekattest ja ühenduspeast.

Tundliku elemendi tööpõhimõte põhineb aine elektritakistuse sõltuvusel temperatuurist. Materjalidena kasutatakse nende valmistamisel puhtaid metalle: plaatinat, vaske, niklit ja pooljuhte. Plaatina on takistustermomeetrite valmistamise peamine materjal. Pooljuhtide takistustermomeetrites kasutatakse tundlike elementidena germaaniumi, vase ja mangaani oksiide, titaani ja magneesiumi.

Takistustetermomeetrite peamised metroloogilised omadused, nende skeemid, eelised, puudused ja kasutusala on toodud tabelis. 2.19.

Tabel 2.19. Elektriliste kontakttermomeetrite põhilised metroloogilised omadused

Tabel 2.19. Elektriliste kontakttermomeetrite põhilised metroloogilised omadused
Omadused	Takistuse termomeetrid
	metallist	pooljuht	standard	õhukeses korpuses

Mõõtmispiirid, °C
Mõõtmisviga, %
Inerts
Eelised	Kõrge täpsus, lineaarne staatiline karakteristik	Kõrge tundlikkus, punktide mõõtmise võimalus	Odav, hea staatiline lineaarsus	Tugevus, madal termiline inerts, lineaarne staatiline karakteristik
Puudused	Temperatuuri on ühes punktis võimatu mõõta	Mittelineaarne staatiline karakteristik, parameetrite suur hajumine, parameetrite madal stabiilsus ajas	Suur termiline inerts	Teadmata
Kasutusala	Energeetika, pidevad tehnoloogilised protsessid keemias, toiduainetööstus	Energeetika, tehnoloogilised protsessid keemias, tehismaterjalide tootmine, meditsiin	Energeetika, töötlev tööstus, toiduainetööstus	Energeetika, pidev tootmine, keemia, meditsiin, ehitus, tehismaterjalide tootmine

Erinevate probleemide lahendamiseks jaotatakse takistustermomeetrid etalon-, näidis- ja töötavateks, mis omakorda jagunevad laboratoorseteks ja tehnilisteks.

Referentstakistustermomeetrid on ette nähtud MPTS skaala reprodutseerimiseks ja edastamiseks vahemikus 13,81... ...903,89 K. Plaatinatakistustermomeetrid on kasutusel suurema täpsusega etalon-, standard- ja laboriinstrumentidena.

Sõltuvalt konstruktsioonist jagunevad tehnilise takistuse termomeetrid: sukel-, pinna- ja ruumitermomeetrid; kaitstud ja mitte kaitstud agressiivse keskkonna eest; statsionaarne ja kaasaskantav; 1., 2. ja 3. täpsusklassi termomeetrid jne.

Üks vedela ja gaasilise keskkonna temperatuuri mõõtmiseks kasutatavate tööstuslike takistustermomeetrite konstruktsioonidest on näidatud joonisel fig. 2,93, a. Termomeeter koosneb terasest kaitseümbrises 3 paiknevast tundlikust elemendist 5, millele on keevitatud liitmik 2. Portselanist helmestega 4 tugevdatud traadid 9 ühendavad tundliku elemendi 5 klemmid peas asuva klemmiplokiga b korpus 1. Ülevalt on pea 1 suletud kaanega 10, allosas on tihendi sisend 7, mille kaudu toidetakse paigalduskaabel 8.

Takistustermomeetri tundlik element (joon. 2.93, b) on valmistatud õhukesest 0,03...0,1 mm paksusest metalltraadist mitteinduktsioonraami või raamita mähisega.

Riis. 2.93. :

a - termomeetri disain: 1 - pea korpus; 2 - liitmik; 3 - kaitseümbris; 4 - portselanist helmed; 5 - tundlik element; 6 - klemmiplokk; 7 - nääre sisenemine; 8 - paigalduskaabel; 9 - juhtmed; 70 - kate; b - termomeetri tundliku elemendi kujundus: 1 - glasuur; 2 - ruum; 3 - raam; 4 - plaatina spiraalid; 5. Kokkuvõtted

Plaatinatermomeetrite raamina kasutatakse sulatatud kvartsi ja alumiiniumoksiidil põhinevat keraamikat. Raami 3 kanalites on neli (või kaks) järjestikku ühendatud plaatinaspiraali 4. ülemised otsad 5 juhet on joodetud spiraalideks, mis on valmistatud plaatinast või iriidiumi ja raadiumi sulamist. Spiraalide ja raami vaheline ruum 2 on täidetud alumiiniumoksiidi pulbriga. Spiraalid ja juhtmed kinnitatakse raami külge glasuuriga 1.

Takistustermomeetrite kasutamisel saab temperatuuri hinnata selle tundliku elemendi elektritakistuse muutuse, selle pingelanguse järgi konstantse voolu korral või voolu väärtuse järgi konstantsel pingel.

Kõige levinum on esimene skeem, kus takistuse muutus on temperatuuri mõõt (joon. 2.94). Sel juhul on termistor 1 silla ühes diagonaalis jadamisi reguleerimistakistiga Rv, mille eesmärk on viia toitejuhtmete takistus teatud väärtuseni. Silla diagonaalis sisalduva galvanomeetri 3 näidud sõltuvad ka silla toitepingest, mille püsivuse säilitamiseks on toiteahelasse lisatud reguleeriv takisti.

Riis. 2.94. :

1 - termistor (takistuse termomeeter); 2 - tasandustakisti RA; 3 - galvanomeeter; 4 - mõõtesild takistitega Rv, R2, R3, Y4, RA; 5 - toiteallikas; 6 - reguleerimistakisti Rv

Termoelektrilised termomeetrid koosnevad termopaarist, kaitsekattest ja ühenduspeast, need põhinevad sensorelemendi termoelektrilistel omadustel.

Termoelektrilise meetodi olemus on elektromotoorjõu tekkimine kahe erineva juhi (näiteks Chromel - Copel) ristmikul, mille temperatuur erineb teise klemmide temperatuurist. TermoEMF-i sõltuvuse saamiseks ühest temperatuurist t2 on vaja hoida temperatuuri t1 konstantsel tasemel, tavaliselt 0 või +20 °C juures. Mõõdetavasse keskkonda paigutatud ristmikku nimetatakse termopaari kuumaks ehk töötavaks otsaks ja ristmikku, mille temperatuur hoitakse konstantsena, nimetatakse külmaks ehk vabaks otsaks.

Temperatuuri mõõtmise termoelektrilise meetodi tundlikkuse suurendamiseks kasutatakse mõnel juhul termovaia: mitut järjestikku ühendatud termopaari, mille tööotsad on temperatuuril t2, vabad otsad aga teadaoleval ja konstantsel temperatuuril t1.

Termoelektriliste termomeetrite peamised metroloogilised omadused, nende skeemid, eelised, puudused ja kasutusala vt tabel. 2.19.

Termopaaridena (TC) kasutatakse kõige sagedamini materjalide kombinatsioone, millel on kõrge arenenud termo-emfi väärtus, omaduste stabiilsus erinevatel temperatuuridel, termo-emfi reprodutseeritavus ja lineaarne sõltuvus temperatuurist, tehnoloogilise töötlemise lihtsus ja ristmiku tootmine. , nimelt: kromel-copel (TBP) , kromel-alumel (TXK)[L], plaatina-roodium-plaatina (TXA)[K], volfram-reenium (Tnn)[S] jne. Statistiliste nominaalsete karakteristikute sümbolid nurksulgudes. Kõige täpsem on TPP termopaar, mida kasutatakse 1., 2. ja 3. kategooria tööstandardite ja standardtermomeetritena.

Termoelektriliste termomeetrite peamised omadused on toodud tabelis. 2.20.

Tabel 2.20. Termoelektriliste termomeetrite peamised omadused

Termopaar	Lõpetamine	Termoelektroodi keemiline koostis		Kasutuspiirangud, C	Lubatud vea piirid, C, temperatuuril, C
Termopaar	Lõpetamine	positiivne	negatiivne
Standard lõpetamised
Plaatina-roodium-plaatina (CCI)		Plaatinaroodium (90% Pt + 10% Rh)	Plaatina (100% Pt)
Plaatina-roodium-plaatina-roodium (TPR)		Platinoroodium (70% Pt + 30% Rh)	Platinoroodium
Chromel-alumel (TCA)		Chromel (89% Ni + 9,8% Cr + 1% Fe + 0,2% Mn)	(94% Ni + 2% A1 + 2,5% Mn + + 1% Si + 0,5% Fe)
Chromel-copelic (THK)			(55% Cu + 45% Ni)
Volfram-reenium (TVR)		Volfram-reenium (95% W + 5% Re)	Volfram-reenium (80% W + 20% Re)			1,33 ± 0,03 (1,40 ± 0,03)
Mittestandardsed lõpetamised
Volfram-reenium		Volfram-reenium (90% W + 10% Re)	Volfram-reenium
Volfram-molübdeen		Volfram (100% W)	Molübdeen (100% Mo)
Volfram-molübdeen			Molübdeen-alumiinium (99,5% Mo + 0,5% Al)
Vask konstant-uus		Vask (100% Cu)	konstantaan (42% Ni + 58% Cu)

Joonisel fig. Joonisel 2.95 on kujutatud termoelektrilise termomeetri konstruktsioon. Termopaar 7 on paigaldatud kaitseümbrisesse 6. Termomeetri peas 2 on kontaktseade 1 koos klambritega termoelektroodide 3 ühendamiseks juhtmetega, mis jooksevad mõõteseadmest termomeetrini. Termoelektroodid kogu pikkuses on isoleeritud üksteisest ja korpusest keraamiliste torudega 5. Termoelektroodidena kasutatakse traati läbimõõduga 0,3...0,5 mm.

Riis. 2.95. :

1 - kontaktseade; 2 - pea; 3 - termoelektroodid; 4 - liitmik; 5 - keraamilised torud; B - kaitseümbris; 7 - termopaar

Termopaari 7 tööotsa ristmik moodustatakse keevitamise, jootmise või keeramise teel. Viimast meetodit kasutatakse volfram-reeniumi ja volfram-molübdeeni termopaaride puhul.

Termopaari ahelasse tekkiva termoEMF-i mõõtmiseks külma ristmikusse (joonis 2.96, a) või ühe termoelektroodi pilusse (joonis 2.96, b), kasutades juhtmeid C, lülitage IP-mõõteseade sisse. Esimesel juhul (vt. joon. 2.96, a) on vooluringis kolm ristmikku: kuum 2 ja kaks külma (1 ja 3), teisel juhul (vt joon. 2.96, b) on ahelas neli ristmikku. : kuum 4, külm 1 ja neutraalne 2 ja 3 ning viimase temperatuur t3 peaks olema sama.

Riis. 2.96. :

a: 1 ja 3 - külmad ristmikud; 2 - kuum ristmik; 6: 1- külm ristmik; 2 ja 3 - neutraalsed ristmikud; 4 - kuum ristmik

Tasakaalustava muundamise ahelas (joonis 2.97) tasakaalustatakse termopaari EMF mootori D juhitava sillaahela signaali abil.

Riis. 2.97. :

R1-R8 - kompensatsioonisilla takistus; R1, R3 - termistorid; R9, R10 - pingejaguri takistus; TP - termopaarid; C - kondensaator; U - võimendi; D - mootor; OU - kiirguse lugemise seade

Termoelektriliste termomeetrite külmaühenduse temperatuurimuutustest põhjustatud metoodiliste vigade kompenseerimine toimub soojustakistusega sillaahelate abil, mis töötavad stabiliseeritud konstantse pingega.

Kontaktivaba temperatuuri mõõtmine.

Kuumutatud keha temperatuuri saab hinnata selle soojuskiirguse parameetrite mõõtmise põhjal, milleks on erineva pikkusega elektromagnetlained. Termomeetreid, mille töö põhineb soojuskiirguse mõõtmisel, nimetatakse püromeetriteks. Need võimaldavad mõõta temperatuure vahemikus 100 kuni 6000 °C ja üle selle.

Füüsikalisi kehasid iseloomustab kas pidev kiirgusspekter (tahked ja vedelikud) või selektiivne spekter (gaasid). Spektri lõik lainepikkuste vahemikus 0,02...0,4 mikronit vastab ultraviolettkiirgusele, lõik 0,4...0,76 mikronit vastab nähtavale kiirgusele ja lõik 0,76...400 mikronit vastab infrapunakiirgusele. Integraalne kiirgus on kogu kiirgus, mida keha kiirgab kogu lainepikkuste spektri ulatuses.

Monokromaatiline on kiirgus, mis kiirgub kindlal lainepikkusel.

Kiirgusseaduste alusel on välja töötatud järgmist tüüpi püromeetrid:

Summaarne (kogu)kiirgus, milles mõõdetakse kogukiirgusenergiat;

Osaline kiirgus (kvaasi-monokromaatiline), mille energiat mõõdetakse filtri (või vastuvõtjaga) piiratud spektri piirkonnas;

Spektrisuhted, milles mõõdetakse spektri fikseeritud osade kiirguse intensiivsust.

IN kogukiirguse püromeetrid hinnanguliselt mitte vähem kui 90% allika kogu kiirgusvoost. Reaalse keha temperatuuri mõõtmisel näitavad seda tüüpi püromeetrid mitte tegelikku, vaid keha nn kiirgustemperatuuri.

Seetõttu nimetatakse neid püromeetreid kiirguspüromeetriteks. Keha teadaoleva summaarse emissioonikoefitsiendiga on võimalik keha kiirgustemperatuurist teisendada selle tegelik temperatuur. Sellest lähtuvalt on summaarse kiirguse püromeetreid mugav kasutada temperatuuride erinevuste mõõtmisel pidevatel vaatlustingimustel vahemikus 100...3500°C. Tehniliste püromeetrite peamine lubatud viga suureneb temperatuuri mõõtmise ülemise piiri suurenedes. Niisiis, 1000 °C puhul - ±12%, 2000 °C puhul - ±20%.

Riis. 2.98. :

1 - objektiiv; 2 - diafragma; 3 - kiirgusvastuvõtja; 4 - okulaar; 5 - filter; OU - lugemisseade

IN kiirguspüromeeter(joon. 2.98) kuumutatud keha kiired jõuavad läätsele 1, mis suunab need läbi diafragma 2 kiirgusvastuvõtjasse 3. Kiirgusvastuvõtja koosneb suurest hulgast termopaaridest (termopaarist), mille kuumad ühendused on tehtud läätses. õhukeste sektoriplaatide kujul. Järjestikku ühendatud termopaaride signaal suunatakse op-amp lugemisseadmesse. Läbi filtriga 5 okulaari 4 on püromeeter suunatud mõõtmisobjektile. Kogukiirguse vastuvõtjate peamised metroloogilised omadused, nende skeemid, peamised eelised, puudused ja kasutusala on toodud tabelis. 2.21.

Tabel 2.21. Kogukiirguse vastuvõtjate metroloogilised põhiomadused

Tabel 2.21. Kogukiirguse vastuvõtjate metroloogilised põhiomadused
Omadused	Elektriline				Pneumaatiline	Optiline
	Termopaalid	Bolomeetrid	Soojuskiire indikaatorid	Püroelektrilised kristallid	Golay detektor	Vedelkristallid

Mõõtmispiirid	Teoreetiliselt piiramatu, oleneb disainist
Tundlikkus	10 0 V * W -1		10 -4 V W -1
Inerts, s
Eelised	Kõrge ajutine stabiilsus	Suurem tundlikkus võrreldes termopiluga	Madal termiline inerts	Madal termiline inerts, lai sagedusvahemik	Äärmiselt lai sagedusvahemik	Kõrge eraldusvõime (10-3 K)
Puudused	Suurem inerts võrreldes bolomeetritega	Vajab toiteallikat, oma kütet	Madal tundlikkus	Polarisatsiooni kadumine Curie punkti kohal	Staatilised mõõtmised pole võimalikud	Kõrge inerts
Kasutusala		Püromeetria, spektroskoopia, radiomeetria	Lasertuvastus	Püromeetria, spektromeetria, temperatuuriväljade registreerimine	Spektromeetria	Meditsiin, teadusuuringud

Need jagunevad elektrilisteks (termopiilid, bolomeetrid, termoindikaatorid, püroelektrilised kristallid), pneumaatilisteks (Golay detektor) ja optilisteks (vedelkristallid). Suurim tundlikkus (10 5 V*W -1) on pneumaatilistel vastuvõtjatel. Elektriliste puhul jääb see vahemikku 10 -4 kuni 10 3 V*W -1.

Temperatuur on üks olulisemaid füüsikalisi suurusi, mida hinnatakse veevarustuse ja reovee ärajuhtimise automaatikasüsteemides. Kaasaegsed temperatuuri mõõtmise meetodid ja vahendid põhinevad vedelike ja gaaside füüsikalistel omadustel. Tahked ained Ilmub temperatuuri muutumisel. Praegu kasutatakse temperatuuri mõõtmiseks elektrilisi ja mitteelektrilisi meetodeid.

Automaatika tehnilisi vahendeid nimetatakse temperatuuri mõõtmiseks mõeldud TCA-ks termomeetrid.

Temperatuuri mõõtevahendite klassifikatsioon:

1. Paisumistermomeetrid – tegevus põhineb vedelate ja tahkete kehade lineaarsete mõõtmete ja mahu muutustel koos temperatuurimuutustega.

2. Manomeetrilised termomeetrid – tegevus põhineb töötava aine rõhu muutumisel temperatuurist konstantse mahu juures.

3. Termoelektrilised muundurid (TEP), termopaarid – tegevus põhineb termoelektromootorjõu (TEMF) sõltuvusel temperatuurist.

4. Takistuse termomeetrid – tegevus põhineb tundliku elemendi elektritakistuse sõltuvusel temperatuurist.

5. Kiirguspüromeetrid – tegevus põhineb temperatuuri sõltuvusel kiirguse heledusest.

Laiendustermomeetrid

Need on üles ehitatud vedeliku (vedeliku) mahu või tahkete ainete lineaarsete mõõtmete (deformatsiooni) muutmise põhimõttel koos temperatuuri muutumisega.

Vedelklaasist termomeetrite toime põhineb termomeetrilise aine (elavhõbe, alkohol või muud orgaanilised vedelikud) ja selle kesta (termomeetriline klaas või kvarts) soojuspaisumistegurite erinevusel. Selliseid termomeetreid kasutatakse tavaliselt tööstuses ja laboripraktikas kohalike temperatuuride mõõtmiseks vahemikus -200 °C kuni 600 °C suure täpsusega. Näiteks kitsa skaalavahemikuga standardsete klaastermomeetrite jaotusväärtus võib olla 0,01 °C.

TL-tüüpi laboratoorsed termomeetrid on valmistatud mõõtmispiiride jaoks -100°C kuni 500°C; tööstuslikud termomeetrid TP tüüpi temperatuuridele -30°C kuni 500°C; TT tüüpi tehnilised termomeetrid samade piiride jaoks jne.

Vedelklaasist termomeetrite peamised eelised on lihtsus ja kõrge mõõtmistäpsus; Puudused - näitude salvestamise ja edastamise võimatus vahemaa tagant, märkimisväärne termiline inerts, remondi võimatus.

Deformatsioonilised jagunevad bimetallilisteks ja dilatomeetrilisteks. Nende toime põhineb erinevate tahkete ainete termomeetrilisel paisumise omadusel.

Manomeetrilised termomeetrid

Manomeetriline termomeeter (joonis 32) koosneb termosilindrist 1, kapillaartorust 2 ja manomeetrilisest osast 3-7. Kogu seadme süsteem (termosilinder, kapillaartoru, survevedru) on täidetud tööainega. Terasest või messingist silindri kujul valmistatud termopirn asetatakse kontrollitud keskkonda. Kui termosilinder kuumeneb, suureneb suletud süsteemi sees oleva tööaine rõhk. Rõhu tõusu tajub survetoru (vedru), mis toimib ülekandemehhanismi kaudu seadme nõelale või pliiatsile. Kapillaar on valmistatud vasest või terasest torust siseläbimõõduga 0,15–0,5 mm. Olenevalt seadme otstarbest võib kapillaartoru pikkus olla erinev ja jääb tavaliselt järgmise rea piiresse: 1; 1,6; 2,5; 4; 6; 10; 16; 25; 40 ja 60 m Kapillaartoru võib olla ühe- või mitmepöördeline. Mõnikord võib kapillaar puududa ja termopirn on otse ühendatud manomeetrilise osaga. Mehaaniliste kahjustuste eest kaitsmiseks asetatakse kapillaar terasest põimitud hülsist valmistatud kaitseümbrisesse.

Riis. 32. Manomeetriline termomeeter torukujulise vedruga:

1 – termosilinder; 2 – kapillaartoru; 3 – survetoru (vedru); 4 – hoidik; 5 – jalutusrihm; 6 – hammasrataste sektor; 7 – bimetalliline kompensaator

Manomeetrilisi termomeetreid kasutatakse laialdaselt keemiatööstuses. Need on disainilt lihtsad, töökindlad ning elektriajami puudumisel on skeemid plahvatus- ja tulekindlad. Nende seadmete abil saate mõõta temperatuure vahemikus -150 kuni +600 °C.

Eristatakse järgmisi manomeetriliste termomeetrite tüüpe:

Gaas, milles kogu süsteem täidetakse teatud algrõhu all gaasiga;

vedelik, milles süsteem on vedelikuga täidetud;

Kondensatsioon, mille puhul termosilinder on osaliselt täidetud madala keemistemperatuuriga vedelikuga ja ülejäänud termosilindri ruum täidetakse selle vedeliku aurudega.

Igat tüüpi manomeetriliste termomeetrite disain on sarnane. Nad näitavad, registreerivad ja võtavad ühendust.

Gaasi MT-d on täidetud lämmastiku ja heeliumiga ning neid kasutatakse temperatuuride mõõtmiseks vahemikus -60 kuni +600 0 C.

Eelised: ühtlane skaala; statistilised karakteristikud on lineaarsed.

Vedelate MT-de puhul täidetakse kogu süsteem vedelikuga (metüülalkohol, ksüleen, tolueen, elavhõbe jne) algrõhul 1,5-2 MPa. Kasutatakse temperatuuride mõõtmiseks vahemikus -60 kuni +300 0 C.

Eelised: sama mis gaasi MT-del.

Puudused: olulised temperatuurivead.

Manomeetrilised kondensatsioonitermomeetrid mõistavad madala keemistemperatuuriga vedeliku küllastunud aurude elastsuse sõltuvust temperatuurist. Kuna need sõltuvused kasutatavate vedelike (metüülkloriid, etüüleeter, etüülkloriid, atsetoon jne) puhul on mittelineaarsed, on termomeetri skaalad ebaühtlased. Nendel seadmetel on suurem tundlikkus, kuna Küllastunud auru rõhk muutub temperatuuriga väga kiiresti. Temperatuuri mõõtmise vahemik -50 kuni +300 °C.

Puudused: vead atmosfäärirõhu mõõtmisel.

Takistuse soojusmuundurid (TC)

Sõiduki temperatuuri mõõtmine põhineb juhtide või pooljuhtide elektritakistuse muutumisel koos temperatuuri muutumisega. Teades seda sõltuvust, on takistusväärtuse järgi võimalik määrata keskkonna temperatuuri, kuhu sõiduk on paigutatud. Temperatuuri tõustes paljude puhaste metallide takistus suureneb, pooljuhtide oma aga väheneb.

Metallide takistuse sõltuvust temperatuurist väikeses temperatuurivahemikus saab ligikaudu väljendada võrrandiga:

kus on metalljuhi takistus temperatuuril t°C; - sama juhi takistus temperatuuril 0 0 C; – elektritakistuse temperatuuritegur, 1/ 0 C.

Erinevat tüüpi sõidukite takistuse ja temperatuuri vaheline seos on toodud kalibreerimistabelites.

Sõidukite valmistamiseks sobivad need kõige paremini füüsilised ja keemilised omadused plaatina ja vask. Plaatina jaoks ; vase jaoks .

Sõiduki tundlikud elemendid on spetsiaalsele vilgukivist, portselanist või plastikust raamile bifilaarselt keritud õhuke vask- või plaatinatraat. Välismõjude eest kaitsmiseks on sõiduki tundlikud elemendid ümbritsetud valatud peaga metalltorusse, millesse on monteeritud mähise otste klemmid nende ühendamiseks ühendusjuhtmetega (joonis 33).

Riis. 33. Plaatina (a) ja vask (b) sõiduk:

1 – hõbedane lint; 2 – plaatina traat; 3 – vilgukiviplaat; 4 – toite hõbetraadid; 5 – portselanist helmed; 6 – plastikust pea; 7 – õhukese seinaga kaitsetoru; 8 – kaitsekate; 9 – vasktraat; 10 – plastikraam; 11 – vaskjuhtmed

Takistussoojusmuundureid valmistatakse järgmist tüüpi: vask TC (TCM) piiridele –50 kuni 200 °C; Platinum TS (TSP) temperatuuridele –260 kuni 750 °C.

Paljutõotavad temperatuuri mõõtmise vahendid:

1. Ühtse väljundsignaaliga termomuundurid: TSMU Metran-274 piirväärtustele –50 kuni 200 °C, TSPU Metran-276 piiridele –200 kuni 500 °C. Neil on primaarmuunduri tundlik element ja anduripea sisse ehitatud termomuundur, mis muundab mõõdetud temperatuuri ühtseks alalisvoolu signaaliks.

2. Mikroprotsessori termomuundurid: TSMU Metran-274MP, TSPU Metran-276MP.

3. Intelligentsed temperatuurimuundurid: Metran-281 ja Metran-286 on juhitavad intelligentsed muundurid, mis töötavad eemalt (operaator saab seadistada, valida põhiparameetreid, ümber seadistada ja küsida teavet muunduri enda kohta). Väljundil on ühtne signaal 4 - 20 mA.

Termoelektrilised muundurid

Tegevus põhineb termoelektrilisel efektil, mis seisneb selles, et kahest või enamast erinevast juhist koosnevas suletud ahelas tekib elektrivool, kui vähemalt kahel juhtmeühendusel (ristmikul) on erinev temperatuur.

Struktuuriliselt koosneb TPE kahest erinevast metallist valmistatud traadist (A ja B), mille kuumutatud otsad keeratakse kokku ja seejärel keevitatakse või joodetakse (joonis 34). Temperatuuriga t ristmikku nimetatakse töösõlmeks ja see asetatakse kontrollitavasse keskkonda ning ristmik temperatuuriga t o on vaba.

t o

Riis. 34. Kahe erineva juhtme termoelektriline ahel

Suletud TEC-ahela kogu termoelektromootorjõud (TEMF), mille ristmikud kuumutatakse temperatuurini t Ja t 0 saab väljendada võrrandiga:

Kus E AB ( tt 0)– TEP summaarne soojusvõimsus; e AB ( t), e AB ( t 0) – ristmikel tekkivad potentsiaalid.

Hoides ühe ristmiku temperatuuri konstantsena, nt. , saame .

Et välistada välistemperatuuri muutuste mõju tekkiva soojusjõu suurusele, juhitakse termostaadi vabad otsad termostaadiga või kasutatakse spetsiaalseid kompenseerimisseadmeid. EMF-i mõõtmiseks on termopaari vooluringis sekundaarne seade (millivoltmeeter ja potentsiomeeter). See on ühendatud temperatuuriga ristmikuga t o või ühte termoelektroodidest. Termopaari soojusvõimsus ei muutu sekundaarse seadme sisestamisel selle ahelasse, kui vabade ristmike temperatuur on sama ja sekundaarseadet ühendavad juhtmed on valmistatud elektroodide A ja B materjalidest erinevast materjalist.

Vastavalt üldtunnustatud rahvusvahelisele klassifikatsioonile jagunevad termoelektrilised muundurid (termopaarid) sõltuvalt kasutatud materjalidest ja omadustest mitut tüüpi. Mõnede peamiste TP tüüpide omadused on toodud tabelis. 1.

Üks tehnoloogilise protsessi õigeks kulgemiseks kõige sagedamini jälgitav ja reguleeritav parameeter on temperatuur. Temperatuur on suurus, mis iseloomustab aine kuumenemisastet. Seda mõistet seostatakse kõrgema temperatuuriga keha võimega üle kanda oma soojust madalama temperatuuriga kehale. Soojusülekanne jätkub seni, kuni kehade temperatuurid on võrdsed ja tekib süsteemi termodünaamiline tasakaal. Samaaegselt soojusülekande ja kehade temperatuuri muutustega muutuvad nende füüsikalised omadused. Temperatuuri mõõtühikut nimetatakse kraadiks.

Temperatuurimõõtevahendite klassifikatsioon.

Temperatuuri mõõtmise seadmed jagunevad sõltuvalt nende ehituse aluseks olevatest füüsikalistest omadustest järgmistesse rühmadesse:

Laiendustermomeetrid;

Manomeetrilised termomeetrid;

Elektritakistustermomeetrid;

Termoelektrilised muundurid (termopaarid);

Kiirguspüromeetrid.

Termomeetrid. Otsustava panuse termomeetri disaini arendamisse andis sakslane Gabriel Daniel Fahrenheit. 1709. aastal leiutas ta alkoholitermomeetri ja 1714. aastal elavhõbedatermomeetri. Ta andis neile sama vormi, mida kasutatakse praegu. Tema termomeetrite edu tuleks otsida uuest elavhõbeda puhastamise meetodist; lisaks keetis ta enne pitseerimist torus oleva vedeliku keema.

René Antoine de Réaumur ei kiitnud elavhõbeda kasutamist termomeetrites heaks selle madala paisumisteguri tõttu. 1730. aastal tegi ta ettepaneku kasutada termomeetrites alkoholi ja 1731. aastal leiutas vee-alkoholi termomeetri. Ja kuna Reaumur leidis, et tema kasutatud alkohol, segatuna veega vahekorras 5:1, paisub temperatuuri muutumisel külmumispunktist vee keemistemperatuurini vahekorras 1000:1080, pakkus ta välja skaala 0-st kuni keemistemperatuurini. 80°.

Temperatuuri skaalad.

Seal on mitu astmelist temperatuuriskaalat ning tavaliselt võetakse võrdluspunktideks vee külmumis- ja keemispunktid. Nüüd on maailmas levinuim skaala Celsiuse skaala. 1742. aastal pakkus Rootsi astronoom Anders Celsius välja 100-kraadise termomeetri skaala, milles 0 kraadi on vee keemistemperatuur normaalsel atmosfäärirõhul ja 100 kraadi jää sulamistemperatuur. Skaalajaotus on 1/100 sellest erinevusest. Kui termomeetreid hakati kasutama, osutus mugavamaks vahetada 0 ja 100 kraadi. Võib-olla osales selles Carl Linnaeus (ta õpetas meditsiini ja loodusteadusi samas Uppsala ülikoolis, kus Celsius õpetas astronoomiat), kes juba 1838. aastal tegi ettepaneku võtta jää sulamistemperatuuri 0 temperatuuriks, kuid ilmselt ei mõelnud sellele sekunditki. võrdluspunkt. Praeguseks on Celsiuse skaala mõnevõrra muutunud: 0°C võetakse endiselt jää sulamistemperatuuriks normaalrõhul, mis rõhust väga ei sõltu. Kuid vee keemistemperatuur atmosfäärirõhul on praegu 99,975 °C, mis ei mõjuta peaaegu kõigi termomeetrite mõõtmise täpsust, välja arvatud spetsiaalsed täppistermomeetrid.

Tuntud on ka Fahrenheiti, Kelvini, Reaumuri jt temperatuuriskaalad Fahrenheiti temperatuuriskaalal (teises versioonis, kasutusele võetud aastast 1714) on kolm fikseeritud punkti: 0° vastas vee, jää ja ammoniaagi segu temperatuurile, 96° – terve inimese kehatemperatuur ( käe all või suus). Erinevate termomeetrite võrdlemiseks võeti jää sulamistemperatuuri võrdlustemperatuuriks 32°. Fahrenheiti skaala on inglise keelt kõnelevates riikides laialt levinud, kuid teaduskirjanduses seda peaaegu kunagi ei kasutata. Celsiuse temperatuuri (°C) teisendamiseks Fahrenheiti temperatuuriks (°F) on valem °F = (9/5)°C + 32 ja vastupidiseks teisendamiseks on valem °C = (5/9)( °F-32). Mõlemad skaalad – nii Fahrenheiti kui ka Celsiuse järgi – on väga ebamugavad katsete läbiviimisel tingimustes, kus temperatuur langeb alla vee külmumispunkti ja seda väljendatakse negatiivse arvuna. Sellistel juhtudel võeti kasutusele absoluutsed temperatuuriskaalad, mis põhinevad ekstrapoleerimisel nn absoluutse nullini – punktini, kus molekulide liikumine peaks peatuma. Ühte neist nimetatakse Rankine'i skaalaks ja teist absoluutseks termodünaamiliseks skaalaks; temperatuure mõõdetakse Rankine'i kraadides (°Ra) ja kelvinites (K). Mõlemad skaalad algavad absoluutse nulltemperatuuri juurest ning vee külmumispunkt vastab 491,7° R ja 273,16 K. kraadide ja kelvinite arv vee külmumis- ja keemispunktide vahel Celsiuse skaala ja absoluutse termodünaamilise skaala järgi on sama ning võrdne 100-ga; Fahrenheiti ja Rankine'i skaala puhul on see samuti sama, kuid võrdne 180-ga. Celsiuse kraadid teisendatakse kelviniteks valemiga K = °C + 273,16 ja Fahrenheiti kraadid teisendatakse Rankine'i kraadideks valemiga °R = °F + 459,7. Euroopas oli Rene Antoine de Reaumuri poolt 1730. aastal kasutusele võetud Reaumuri skaala pikka aega laialt levinud. See ei ole konstrueeritud suvaliselt, nagu Fahrenheiti skaala, vaid vastavalt alkoholi soojuspaisumisele (suhtes 1000:1080). 1 kraad Reaumur võrdub 1/80 jää sulamispunktide (0°R) ja keeva vee (80°R) vahelisest temperatuurivahemikust, st 1°R = 1,25°C, 1°C = 0,8°R. , kuid on nüüd kasutusest väljas.

Alates rahvusvahelise mõõtühikute süsteemi (SI) kasutuselevõtust on soovitatud kasutada kahte temperatuuriskaalat.

Esimene skaala on termodünaamiline, mis ei sõltu kasutatava aine (töövedeliku) omadustest ja viiakse sisse Carnot tsükli kaudu. Selle temperatuuriskaala temperatuuriühik on üks kelvin (1K), üks SI-süsteemi põhiühikutest. See ühik on oma nime saanud inglise füüsiku William Thomsoni (lord Kelvin) järgi, kes töötas selle skaala välja ja jättis temperatuuriühiku samaks, mis Celsiuse temperatuuriskaalal.

Teine soovitatav temperatuuriskaala on rahvusvaheline praktiline skaala. Sellel skaalal on 11 võrdluspunkti - mitmete puhaste ainete faasisiirde temperatuurid ja nende temperatuuripunktide väärtusi täpsustatakse pidevalt. Temperatuuri mõõtühikuks rahvusvahelises praktilises skaalas on samuti 1K.

Tabel 4.1.

Fahrenheiti ja Celsiuse temperatuuriskaalade vaheline seos

Vaatame lähemalt temperatuuri mõõtmise vahendeid.

Laiendustermomeetrid.

Mõeldud temperatuuri muutmiseks vahemikus -190 kuni +500 kraadi Celsiuse järgi. Paisutermomeetrite tööpõhimõte põhineb temperatuuri mõjul olevate kehade omadusel muuta mahtu ja seega ka lineaarseid mõõtmeid. Paisutermomeetrid jagunevad vedelklaasiks ja mehaanilisteks (dilatomeetrilisteks ja bimetallilisteks).

Elavhõbedat, etüülalkoholi, petrooleumi, tolueeni ja pentaani kasutatakse vedelklaasist termomeetrites termomeetriliste vedelikena.

Mehaanilised termomeetrid.

Dilatomeetriliste termomeetrite tööpõhimõte põhineb temperatuurimuutuste muundamisel kahe tahke aine pikenemise erinevuseks, mis on põhjustatud nende lineaarse paisumise temperatuuritegurite erinevusest. Temperatuuri mõõtmise vahemik on -30 kuni +1000°C.

Bimetalltermomeetri tööpõhimõte põhineb kahe erineva temperatuurilise lineaarpaisumise koefitsiendiga metalli kasutamisel selle tundlikus elemendis. Metallplaadid on omavahel tugevalt ühendatud peamiselt keevitamise teel ja moodustavad bimetallvedru, mis kuumutamisel laieneb ja sulgeb kontakti või pöörab termomeetri nõela.

Jahutuskambrites kasutatava bimetallilise elektrilise kontrolleri ligikaudne diagramm näeb välja järgmine:

Sellel pildil paisub hall metall rohkem kui sinine metall. Temperatuuri tõustes põhjustab see paisumine plaadi ülespoole paindumist ja kontakti kontaktiga, nii et vool voolab läbi plaadi ja kompressor lülitub sisse. Reguleerides plaadi ja kontakti vahelise pilu suurust, saate reguleerida temperatuuri kambris.

Bimetalltermomeetrid võivad olla erinevat tüüpi. Kõige tavalisema konstruktsiooni korral on keskele kinnitatud pikk bimetalliriba. Spiraali teine (välimine) ots liigub mööda kraadides märgitud skaalat. Selline termomeeter on erinevalt vedeltermomeetrist (näiteks elavhõbedast) välisrõhu muutuste suhtes täiesti tundetu ja mehaaniliselt vastupidavam. Temperatuuri mõõtmise vahemik on -100 kuni +600°C.

Manomeetrilised termomeetrid on mõeldud temperatuuride mõõtmiseks vahemikus -160 kuni +600 kraadi Celsiuse järgi.

Manomeetriliste termomeetrite tööpõhimõte põhineb suletud ruumalasse paigutatud vedeliku, gaasi või auru rõhu muutumisel nende ainete kuumutamisel või jahutamisel;

Manomeetri skaala kalibreeritakse otse temperatuuriühikutes. Manomeetri termomeeter koosneb termosilindrist, painduvast kapillaarist ja manomeetrist endast. Sõltuvalt täiteainest jaotatakse manomeetrilised termomeetrid gaasilisteks (TGP termomeeter, TDG termomeeter jne), auru-vedelikuks (TCP, TPP termomeeter) ja vedelikuks (TPZh termomeeter, TJ termomeeter jne). Temperatuuri mõõtmise vahemik manomeetriliste termomeetritega on vahemikus -60 kuni +600°C. Manomeetrilise termomeetri termosilinder asetatakse mõõdetavasse keskkonda. Kui termosilinder soojeneb suletud mahus, suureneb rõhk, mida mõõdetakse manomeetriga. Manomeetri skaala on kalibreeritud temperatuuriühikutes. Kapillaar on tavaliselt messingist toru, mille siseläbimõõt on murdosa millimeetrist. See võimaldab eemaldada manomeetri termosilindri paigalduskohast kuni 40 m kauguselt Kapillaar kogu pikkuses on kaitstud teraslindist valmistatud ümbrisega. Manomeetrilisi termomeetreid saab kasutada plahvatusohtlikes piirkondades. Kui on vaja mõõtetulemusi edastada kaugemal kui 40 m, on manomeetrilised termomeetrid varustatud standardiseeritud pneumaatiliste või elektriliste signaalidega väljundmuunduritega, räägime nn kaugtermomeetritest.

Viga. Manomeetriliste termomeetrite projekteerimisel on kõige haavatavamad kohad, kus kapillaar on ühendatud termosilindri ja manomeetriga.

Elektritakistustermomeetreid kasutatakse temperatuuride mõõtmiseks vahemikus -200 kuni +650 kraadi Celsiuse järgi. Takistustermomeeter on tavaliselt metall- või keraamilises korpuses termomeeter, mille tundlikuks elemendiks on metalltraadist või kilest valmistatud takisti, millel on teadaolev elektritakistuse sõltuvus temperatuurist. Kõige populaarsem termomeetri tüüp on plaatina takistustermomeeter, mis on tingitud plaatina kõrgest temperatuurikoefitsiendist, oksüdatsioonikindlusest ja heast töödeldavusest. Töötavate mõõteriistadena kasutatakse ka vase- ja niklitermomeetreid. Takistustermomeetrite tööpõhimõte põhineb juhtide omadusel muuta elektritakistust sõltuvalt temperatuurist.

Termoelektrilisi muundureid (termopaare) kasutatakse temperatuuride mõõtmiseks vahemikus 0 kuni +1800 kraadi Celsiuse järgi. Termopaar on vanim ja siiani kõige levinum temperatuuriandur tööstuses. Termopaari toime põhineb efektil, mille esmakordselt avastas ja kirjeldas Thomas Seebeck aastal 1822. Selle efekti kõige õigem definitsioon on järgmine: potentsiaalide erinevus tekib siis, kui mobiillaengutega homogeensel materjalil on erinev temperatuur. igal mõõtmiskontaktil. (Kui vabalaengutega homogeensel materjalil on mõõtekontaktidel erinev temperatuur, siis tekib kontaktide vahel potentsiaalivahe). Meie jaoks on tuttavam Seebecki efekti veidi erinev definitsioon, mida tavaliselt antakse kirjanduses - voolu tekkimine kahe erineva juhi suletud ahelas ristmike vahelise temperatuurigradiendi olemasolul. Teine määratlus tuleneb ilmselgelt esimesest ja selgitab termopaari tööpõhimõtet ja konstruktsiooni. Kuid just esimene määratlus annab võtme, et mõista termoelektrilise võimsuse mõju mitte ristmikul, vaid kogu termoelektroodi pikkuses, mis on väga oluline, et mõista loodusest tulenevaid täpsuspiiranguid. termoelektrist. Kuna termoelektrienergia genereerimine toimub piki termoelektroodi pikkust, sõltuvad termopaari näidud termoelektroodide olekust maksimaalse temperatuurigradiendi tsoonis. Seetõttu tuleks termopaaride kontrollimine läbi viia samal sügavusel keskkonda sukeldamisel kui töökohal. Termoelektrilise ebahomogeensuse arvestamine on eriti oluline mitteväärismetallist valmistatud termopaaride töötamisel.

Eelised:

Lai töötemperatuuri vahemik, see on kõrgeim saadaolev temperatuurikontaktandur.

Termopaari ühenduskohta saab otse maandada või viia mõõdetava objektiga otsekontakti.

Tootmise lihtsus, töökindlus ja konstruktsiooni tugevus.

Puudused:

Vajadus kontrollida külmade ristmike temperatuuri. Kaasaegsed termopaaril põhinevad arvestid kasutavad külma ühendusploki temperatuuri mõõtmist sisseehitatud termistori või pooljuhtanduri abil ja korrigeerivad automaatselt mõõdetud emf-i.

Termoelektrilise ebahomogeensuse esinemine juhtides ja sellest tulenevalt kalibreerimiskarakteristiku muutumine sulami koostise muutumise tõttu korrosiooni ja muude keemiliste protsesside tagajärjel.

Elektroodi materjal ei ole keemiliselt inertne ja kui termopaari korpus ei ole tihedalt suletud, võib see kokku puutuda agressiivse keskkonna, atmosfääri jms.

Termopaari ja pikendusjuhtmete pikkade pikkuste korral võib olemasolevatele elektromagnetväljadele tekkida antenniefekt.

TEMF-i sõltuvus temperatuurist on oluliselt mittelineaarne. See tekitab raskusi sekundaarsete signaalimuundurite väljatöötamisel.

Kui termopaari termilise inertsi ajale esitatakse ranged nõuded ja töötav ristmik peab olema maandatud, peab signaalimuundur olema elektriliselt isoleeritud, et välistada maanduslekke oht.

Termopaaride tööpõhimõte põhineb erinevate metallide ja sulamite omadusel moodustada ristmikul termoelektromootorjõud, mis sõltub ristmiku temperatuurist.

Kiirguspüromeetreid kasutatakse temperatuuride mõõtmiseks vahemikus +100 kuni 2500 kraadi Celsiuse järgi. Kiirguspüromeetrid töötavad kuumutatud kehade kiirgava energia mõõtmise põhimõttel, mis varieerub sõltuvalt nende kehade temperatuurist. mille tööpõhimõte põhineb kuumutatud keha kiirguse koguenergia või koostise mõõtmisel. Sõltuvalt mõõtmismeetodist on olemas:

· kiirgus,

· optiline,

fotogalvaanilised ja

· värvilised püromeetrid.

Kiirguspüromeetrid. Need püromeetrid mõõdavad teleskoobi ja sekundaarse instrumendi abil keha kogukiirguse (valgus- ja soojusenergia) energiat. Kiirguspüromeetri teleskoop toimib kontaktivaba temperatuuriandurina ja koosneb optilisest süsteemist, mille fookuses on termovaia töökohad ehk mitu järjestikku ühendatud termopaari. Termovaial muundab kuumutatud keha pinnalt eralduva energia soojusenergiaks, mida mõõdetakse sekundaarse seadmega. Kui sekundaarses seadmes on juhtseade, võimaldab kiirguspüromeeter automaatselt reguleerida temperatuuri objektis (ahi, vann).

Optilised püromeetrid. Neid püromeetreid, mida nimetatakse ka heleduspüromeetriteks, kasutatakse ahjude ja vannide temperatuuri perioodiliseks jälgimiseks. Nende abiga mõõdetakse temperatuuri keha monokromaatilise heleduse (kiirguse intensiivsuse) järgi spektri nähtavas piirkonnas, võrreldes seda võrdluspüromeetrilise lambipirni hõõgniidi heledusega. Hõõgniidi voolu muutmisega viiakse selle heledus mõõdetava keha heleduseni, samal ajal kui hõõgniit kaob oma taustal, kuna keha ja hõõgniidi temperatuur on sama.

Fotoelektrilised püromeetrid. Fotoelektrilisi püromeetreid kasutatakse kuumutatud tahkete ainete temperatuuri mõõtmiseks vahemikus 600–2000 °C. Eriti edukalt kasutatakse neid kiirete protsesside temperatuuri mõõtmiseks.

Fotopüromeetri tööpõhimõte põhineb fotoelementide omadusel toota fotoelektrilist voolu, mis on võrdeline emitterist fotoelemendile suunatava valgusvoo intensiivsusega. Kuna valgusvoo intensiivsus on omakorda võrdeline emitteri mõõdetud temperatuuriga, on fotoelemente kasutades võimalik mõõta kuumutatud kehade temperatuuri.

Püromeetri esmane andur on sihikupea, mis sisaldab fotosilti 9.

Pea asetatakse nii, et valgusvoog emitterist 3, mille temperatuuri mõõdetakse, suunatakse läbi objektiiviläätse 4 fotoelemendile. Valgusvoo teele, fotoelemendi ette, on paigaldatud kassett 7 ja punane valgusfilter 8, mis edastavad ainult teatud lainepikkusega kiiri. Kassetil on kaks auku: läbi ühe läbib valgusvoog emitterist ja läbi teise - hõõglambist 2.

Kasseti ees on elektromagnetvibraator 6, mis siibri abil vaheldumisi, seda varustava voolu sagedusega 50 Hz, avab kasseti augud, mille tulemusena saab fotosilm vaheldumisi valgusvooge. allikast ja hõõglambist.

Hõõglambi valgusvoog on võrdlusväärtus, mis sõltub ainult hõõgniidi läbivast voolust. Emitteri valgusvoogu võrreldakse hõõglambi valgusvooga. Selle tulemusena antakse elektroonilisele võimendile 11 vahelduvpinge, mille väärtus sõltub hõõglambi ja emitteri valgusvoogude erinevusest.

Seda pinget võimendatakse esmalt sihiku peas asuvas võimendis ja seejärel toiteplokis 14.

Seadme väljundaste on koormatud hõõglambiga, mille kaudu voolab alalisvool, mis suureneb, kui hõõglambi valgusvoog on väiksem kui emitteri valgusvoog, ja vastupidi.

Seega suurendab süsteem pidevalt lampi läbiva voolu väärtust väärtuseni, mis tagab valguskiirguri ja hõõglambi voogude võrdsuse.

Mõõtes hõõglambi voolu, saate määrata emitteri temperatuuri. Voolu mõõtmine toimub kiire elektroonilise potentsiomeetriga 12, mis on ühendatud lambiahela šundiga, pea õige joondamine emitteriga toimub okulaari 10 ja reflektori 5 abil. Seadmel on eraldustrafo 13, pinge stabilisaator 15 ja klambrid 16 võrgust toite andmiseks.

Siin kirjeldatud püromeetrit saab paigaldada emitterist vähemalt 1 m kaugusele. Emiteri väikseim lubatud läbimõõt peaks alati olema veidi suurem kui 1/20 sellest vahemaast. Seda tüüpi, kuid spetsiaalsete läätsedega püromeetritega saab mõõta väiksemate objektide temperatuuri kui standardse vaatlusindikaatoriga püromeetrid.

Värvilised püromeetrid. Need püromeetrid mõõdavad temperatuuri kehast lähtuva monokromaatilise kiirguse intensiivsuse suhtega nähtava spektri punase ja sinakasrohelise osa kahe lainepikkuse vahemikus. See suhe iseloomustab nn värvitemperatuuri, mis langeb kokku absoluutselt mustade ja hallide kehade tegeliku temperatuuriga. Kodused värvipüromeetrid kasutavad punase-sinise suhte meetodit. Mõlema monokromaatilise heleduse mõõtmiseks kasutatakse üht kiirgusvastuvõtjat (fotoelement või fototakisti), millel on mõõdetavate signaalide jaoks ühine võimenduskanal.

Värvipüromeetria meetodi eeliseks teiste mittekontaktsete optiliste temperatuurimõõtmismeetodite ees on see, et mõõteobjektiks ei pea olema musta keha. Lisaks on välistatud kiirguse mõju, pinna topograafia muutused, kaugus püromeetrist ning mõõteobjekti ja püromeetri vahel paiknevad mitteselektiivsed kiirgusenergia neelajad (võred, klaasid, membraanid, prismad jne).

Tüüpilised värvipüromeetrite näited on TsEP-3M ja TsEP-4 seadmed.

Seadmekomplekt koosneb kolmest plokist: andur, elektroonikaplokk koos võimendus- ja otsustusahelaga ning näidiku- või salvestusseade.

Seadme tööpõhimõte põhineb spektri punase ja sinise osa spektri heleduse suhte logaritmi automaatsel mõõtmisel. Arvutusseade võtab automaatselt heleduse suhte logaritmi. Spektraalse heleduse suhte logaritm on võrdeline värvitemperatuuri pöördväärtustega.

Mõõdetud kiirgus siseneb fotoelementi läbi seadme optilise süsteemi ja läbi sünkroonmootoriga pöörleva katiku. Katik on tehtud ketta kujul, mille augud on kaetud punaste ja siniste valgusfiltritega nii, et ketta pöörlemisel tabab fotosilti vaheldumisi kas punane või sinine energiaheledus. Punase ja sinise spektraalenergia heledusega võrdelised fotovooluimpulsid võimendatakse ja suunatakse mõõtesüsteemi sisendisse. Fotosilm on termostaadiga juhitav. Kõik need seadmed on paigaldatud seadme peasse. Võimendatud vool suunatakse mõõtesõlme, milles pärast sobivaid teisendusi siseneb signaal elektroonilisse logaritmilise süsteemi, mis võimaldab saada lineaarset skaalat.

Anduripea sisaldab ka seadmeid energia heleduse taseme käsitsi ja automaatseks reguleerimiseks, indikaatoreid ja juhtnuppe. Tolmu ja suitsu eemaldamiseks vaateväljast lahtiste esemete temperatuuri mõõtmisel suunatakse suruõhk objektiivi silindrile asetatud varjundisse. Temperatuuri mõõtmise vahemik on 1400--2800°C. Seadmel on 3 kuni 5 alamvahemikku intervalliga 200--400°C. Seadme näidud teisendatakse Celsiuse kraadidesse, kasutades antud alamvahemiku kalibreerimisgraafikut. Seade kalibreeritakse standardsete temperatuurilampide abil. Maksimaalne viga värvitemperatuuri mõõtmisel 2000°C juures on ±30°C.

Bikromaatilise värvipüromeetria meetodi puhul määrab reguleerimise signaali kahe spektraalse energia heleduse erinevus.

See värvitemperatuuri reguleerimise meetod välistab vajaduse heleduse suhte mõõtmiseks mis tahes vooluringi või suhtemõõturi järele. Sellel põhimõttel töötab püromeeter RED-1, millel on üks fotoelement ja mis eraldab valgusfiltritega pöörleva ketta abil ajas vastavate spektraalenergia heledustega võrdelised signaalid.

Sissejuhatus

Peatükk 1. Põhisätted ja mõisted

1 Temperatuuri ja temperatuuri mõõteseadmete mõiste

1.2 Temperatuuriskaalad

3 Rahvusvaheline temperatuuriskaala

Peatükk 2. Temperatuuri mõõtmise meetodid

2.1 Kontakttemperatuuri mõõtmise meetod

2 Mittekontaktne temperatuuri mõõtmise meetod

3 Luminestsentsmeetodid temperatuuri mõõtmiseks

Järeldus

Bibliograafia

Sissejuhatus

Erinevate tehnoloogiliste sõlmede suure jõudlusega, ökonoomne ja ohutu töö eeldab tootmisprotsessi kulgu ja seadmete seisukorda iseloomustavate koguste mõõtmise kaasaegsete meetodite ja vahendite kasutamist.

Temperatuur on tehnoloogiliste protsesside üks olulisemaid parameetreid. Sellel on mõned põhifunktsioonid, mis muudavad selle kasutamise vajalikuks suur kogus meetodid ja tehnilisi vahendeid seda mõõta.

.Põhisätted ja mõisted

1 Temperatuuri ja temperatuuri mõõteseadmete mõiste

Temperatuur on suurus, mis iseloomustab keha termilist olekut. Temperatuuri saab määratleda termilise oleku parameetrina. Selle parameetri väärtuse määrab antud keha molekulide translatsioonilise liikumise keskmine kineetiline energia. Kui kaks keha, näiteks gaasilised, puutuvad kokku, toimub soojusülekanne ühest kehast teise, kuni nende kehade molekulide translatsioonilise liikumise keskmise kineetilise energia väärtused on võrdsed. Keha molekulide keskmise kineetilise liikumisenergia muutumisega muutub selle kuumenemise aste ja samal ajal muutuvad ka keha füüsikalised omadused. Teatud temperatuuril võib keha iga üksiku molekuli kineetiline energia oluliselt erineda selle keskmisest kineetilisest energiast. Seetõttu on temperatuuri mõiste statistiline ja rakendatav ainult kehale, mis koosneb piisavalt suurest hulgast molekulidest; ühele molekulile rakendatuna on see mõttetu.

Statistilised seadused ei ole kohaldatavad kosmose suhtes, kus on oluliselt haruldane aine. Temperatuuri määrab sel juhul kehasse tungivate kiirgusenergia voogude võimsus ja see on võrdne sama kiirgusvõimsusega absoluutselt musta keha temperatuuriga. On teada, et teaduse ja tehnoloogia arenguga laieneb mõiste "temperatuur". Näiteks kõrgtemperatuurse plasma uuringutes võeti kasutusele mõiste "elektronide temperatuur", mis iseloomustab elektronide voolu plasmas.

Temperatuuri mõõtmise võimalus termomeetriga põhineb erineva kuumenemisastmega kehade vahelise soojusvahetuse nähtusel ja ainete termomeetriliste (füüsikaliste) omaduste muutumisel kuumutamisel. Järelikult oleks termomeetri loomiseks ja temperatuuriskaala konstrueerimiseks võimalik valida mis tahes termomeetriline omadus, mis iseloomustab konkreetse aine olekut ja selle muutuste põhjal konstrueerida temperatuuriskaala. Sellise valiku tegemine pole aga nii lihtne, kuna termomeetriline omadus peab üheselt muutuma koos temperatuuriga, olema muudest teguritest sõltumatu ning võimaldama selle muutusi suhteliselt lihtsalt ja mugavalt mõõta. Tegelikkuses ei ole ühtegi termomeetrilist omadust, mis suudaks neid nõudeid täielikult rahuldada kogu mõõdetud temperatuurivahemikus.

Tavatüüpi elavhõbeda ja alkoholi termomeetri näitel on näha, et kui nende skaalad vee keemistemperatuuridele ja jää sulamisele vastavate punktide vahel normaalsel atmosfäärirõhul jagada 100 võrdseks osaks (arvestades jää sulamistemperatuur on 0), siis on ilmne, et mõlema termomeetri elavhõbeda ja alkoholi näidud on punktides 0 ja 100 samad, sest need temperatuuripunktid võeti põhiskaalajaotise saamiseks esialgseteks. Kui me kasutame neid termomeetreid mis tahes keskkonna sama temperatuuri mõõtmiseks muudes punktides, siis on nende näidud erinevad, kuna elavhõbeda ja alkoholi mahulise soojuspaisumise koefitsiendid sõltuvad temperatuurist erinevalt.

Termomeeter on seade (instrument), mida kasutatakse temperatuuri mõõtmiseks, teisendades selle näidikuks või signaaliks, mis on temperatuuri teadaolev funktsioon. Termomeetri tundlik element on termomeetri osa, mis muudab soojusenergia temperatuuriteabe saamiseks teist tüüpi energiaks. Seal on kontakt- ja mittekontakttermomeetrid. Kontakttermomeetri tundlik element puutub otseselt kokku mõõdetava keskkonnaga. Püromeeter on kontaktivaba termomeeter, mille töö põhineb kuumutatud kehade soojuskiirguse kasutamisel. Termoreaktiiv on mõõteseade, mis koosneb termomeetrist, millel pole oma skaalat, ja teisesest seadmest, mis muundab termomeetri väljundsignaali arvväärtuseks.

2 Temperatuuri skaalad

Esimeseks temperatuuri mõõtmiseks loodud seadmeks peetakse Galileo veetermomeetrit (1597). Galileo termomeetril polnud skaalat ja see oli sisuliselt vaid temperatuurinäidik. Pool sajandit hiljem, 1641. aastal, valmistas meile tundmatu autor suvaliste jaotustega skaalaga termomeetri. Veel pool sajandit hiljem tegi Renaldini esmalt ettepaneku võtta jää ja keeva vee sulamistemperatuurid kui konstantsed punktid, mis iseloomustavad termilist tasakaalu. Samal ajal polnud temperatuuri skaalat veel olemas. Esimese temperatuuriskaala pakkus välja ja rakendas DG. Fahrenheiti (1724). Temperatuuriskaalad loodi, valides meelevaldselt null- ja muud konstantsed punktid ning võttes meelevaldselt temperatuurivahemiku ühikuks. Fahrenheit ei olnud teadlane. Ta tegeles klaasnõude valmistamisega. Ta sai teada, et elavhõbedabaromeetri kõrgus sõltub temperatuurist. See andis talle idee luua kraadiskaalaga klaasist elavhõbedatermomeeter. Ta võttis skaalal aluseks kolm punkti: 1 - "äärmise külma punkt (absoluutne null)", mis saadakse vee, jää ja ammoniaagi teatud vahekorras segamisel ja mille ta võttis nullmärgiks (meie kaasaegse skaala järgi võrdne kuni ligikaudu -17, 8°С); 2 – jää sulamistemperatuur, tähistatud +32° ja 3 – normaalne temperatuur inimkeha, tähistatud +96° (meie skaalal +35,6°C). Vee keemistemperatuuri esialgu ei standardiseeritud ja alles hiljem määrati +212° (normaalsel atmosfäärirõhul).

Mõni aasta hiljem, 1731. aastal, asus R.A. Reaumur tegi ettepaneku kasutada klaastermomeetrite jaoks sellise kontsentratsiooniga alkoholi, et jää sulamistemperatuuril täidaks see 1000 mahuühikut ja keemistemperatuuril paisuks see 1080 ühikuni. Sellest lähtuvalt tegi Reaumur ettepaneku määrata esialgu jää sulamistemperatuuriks 1000° ja vee keemistemperatuuriks 1080. 0(hiljem 0° ja 80°).

1742. aastal määras A. Celsius, kasutades elavhõbedat klaastermomeetrites, jää sulamistemperatuuriks 100° ja vee keemistemperatuuriks 0°. See nimetus osutus ebamugavaks ja 3 aastat hiljem tegi Stremer (või võib-olla K. Linnaeus) ettepaneku muuta Celsiuse poolt algselt kasutusele võetud tähistused vastupidiseks. Välja on pakutud mitmeid teisi skaalasid. M.V. Lomonosov pakkus välja vedeliku termomeetri, mille skaala on 150° vahemikus jää sulamistemperatuurist vee keemistemperatuurini.

I.G. Lambert (1779) pakkus välja õhutermomeetri skaalaga 375°, võttes ühe tuhandiku õhuhulga paisumisest 1°. Teada on ka katseid luua tahkete ainete paisumisel põhinevaid termomeetreid (P. Muschenbroek, 1725)

Kõik pakutud temperatuuriskaalad konstrueeriti (harvade eranditega) ühtemoodi: kahele (vähemalt) konstantsele punktile määrati teatud arvväärtused ja eeldati, et termomeetris kasutatud aine näiv termomeetriline omadus on lineaarselt seotud temperatuuri. Kuid hiljem selgus, et erinevate termomeetriliste ainete baasil ehitatud ja ühtlase kraadiskaalaga termomeetrid andsid konstantsete punktide temperatuuridest erinevatel temperatuuridel erinevaid näitu. Viimane muutus eriti märgatavaks kõrgel (vee keemistemperatuurist palju kõrgemal) ja väga madalal temperatuuril.

1848. aastal tegi Kelvin (W. Thomson) ettepaneku konstrueerida termodünaamilisel alusel temperatuuriskaala, võttes absoluutse nulli temperatuuri nulliks ja määrates jää sulamistemperatuuriks +273,1°. Termodünaamiline temperatuuriskaala põhineb termodünaamika teisel seadusel. Nagu teada, on töö Carnot' tsüklis võrdeline temperatuuride erinevusega ega sõltu termomeetrilisest ainest. Üks kraad termodünaamilisel skaalal vastab temperatuuri tõusule, mis vastab 1/100-le Carnot' tsüklis jää sulamistemperatuuri ja vee keemistemperatuuri vahelisest tööst normaalsel atmosfäärirõhul. Termodünaamiline skaala on identne ideaalse gaasi skaalaga, mis põhineb ideaalse gaasi rõhu sõltuvusel temperatuurist. Reaalsete gaaside rõhu ja temperatuuri seadused erinevad ideaalsetest, kuid tegelike gaaside kõrvalekallete parandused on väikesed ja neid saab määrata suure täpsusega. Seetõttu on reaalsete gaaside paisumist jälgides ja korrektuure sisse viides võimalik hinnata temperatuuri termodünaamilisel skaalal.

Teaduslike vaatluste laienedes ja tööstusliku tootmise arenedes tekkis loomulik vajadus kehtestada mingi ühtne temperatuuriskaala. Esimene katse selles suunas tehti 1877. aastal, kui Rahvusvaheline Kaalude ja Mõõtude Komitee võttis peamise temperatuuriskaalana kasutusele vesiniku skaalad. Jää sulamistemperatuuriks võeti null ja vee keemistemperatuuriks normaalsel atmosfäärirõhul 760 mm 100°. rt. Art. Temperatuur määrati konstantses mahus vesiniku rõhu järgi. Nullmärk vastas 1000 mm rõhule. rt. Art. Selle skaala temperatuurikraadid kattusid väga täpselt termodünaamilise skaala kraadidega, kuid vesiniktermomeetri praktiline kasutamine oli piiratud väikese temperatuurivahemiku tõttu ligikaudu -25 kuni +100 °. 20. sajandi alguses. Laialdaselt kasutati Celsiuse (või Fahrenheiti – angloameerika maades) ja Reaumuri skaalasid, teadustöödes kasutati ka Kelvini ja vesiniku skaalasid.

1.3 Rahvusvaheline temperatuuriskaala

Kuna vajadus täpse temperatuuri hindamise järele järsult suurenes, tekitas ühelt skaalalt teisele teisendamine suuri raskusi ja põhjustas mitmeid arusaamatusi. Seetõttu otsustas VIII kaalude ja mõõtude peakonverents 1933. aastal pärast mitmeaastast ettevalmistust ja esialgseid ajutisi otsuseid võtta kasutusele rahvusvaheline temperatuuriskaala (ITS). Selle otsuse kiitis seaduslikult heaks enamik maailma arenenud riike. NSV Liidus võeti rahvusvaheline temperatuuriskaala kasutusele 1. oktoobril 1934 (üleliiduline standard OST VKS 6954).

Rahvusvaheline temperatuuriskaala on termodünaamilise kraadise temperatuuriskaala praktiline teostus, milles jää sulamistemperatuur ja vee keemistemperatuur normaalsel atmosfäärirõhul on tähistatud vastavalt 0° ja 100°. ITS põhineb konstantsete, täpselt reprodutseeritavate tasakaalutemperatuuride (konstantsete punktide) süsteemil, millele on omistatud arvväärtused. Vahetemperatuuride määramiseks kasutatakse interpolatsiooniseadmeid, mis on kalibreeritud nendes konstantsetes punktides. Rahvusvahelisel skaalal mõõdetud temperatuure tähistatakse SS-ga. Erinevalt Celsiuse kraadide skaalast - mis põhineb samuti jää sulamistemperatuuril ja vee keemistemperatuuril normaalsel atmosfäärirõhul ning millel on tähised 0 ° ja 100 ° C, kuid see on ehitatud erineval alusel (lineaarsel suhtel). temperatuuri ja elavhõbeda paisumise vahel klaasis), hakati rahvusvahelise skaala järgi kraade nimetama "rahvusvahelisteks kraadideks" või "kraadiskaala kraadideks". Allpool on toodud ITS-i peamised konstantsed punktid ja neile määratud temperatuuride arvväärtused normaalsel atmosfäärirõhul: (vt ka joonist nr 1):

a) tasakaalutemperatuur vedela ja gaasilise hapniku vahel (hapniku keemistemperatuur) - 182,96°

b) tasakaalutemperatuur jää ja õhuga küllastunud vee vahel (jää sulamistemperatuur) 0,000°

c) vedela vee ja selle auru vaheline tasakaalutemperatuur (vee keemistemperatuur) 100 000°

d) vedela väävli ja selle auru vaheline tasakaalutemperatuur (väävli keemistemperatuur) 414,60°

e) tasakaalutemperatuur tahke ja vedela hõbeda vahel (hõbeda tahkestumise punkt) 961,93°

f) tasakaalutemperatuur tahke ja vedela kulla vahel (kulla tahkumispunkt) 1064,43°

Riis. Rahvusvaheline temperatuuriskaala nr 1

2. Temperatuuri mõõtmise meetodid

Temperatuuriskaala saamiseks kasutatakse kõige sagedamini vee omadusi. Jää sulamistemperatuur ja vee keemistemperatuur normaalsel atmosfäärirõhul on võrdluspunktideks valitud kaasaegsetes (kuid mitte tingimata originaalsetes) temperatuuriskaalades, mille on välja pakkunud Anders Celsius (1701–1744), René Antoine Ferchault Reaumur (1683–1757), Daniel Gabriel Fahrenheit (1686-1736). Viimane lõi esimesed praktilised piirituse- ja elavhõbedatermomeetrid, mis on laialdaselt kasutusel ka tänapäeval. Reaumuri ja Fahrenheiti temperatuuriskaalad on praegu kasutusel USA-s, Suurbritannias ja mõnes teises riigis.

Tänapäeval kasutatakse laialdaselt 1742. aastal kasutusele võetud Celsiuse temperatuuriskaala, mis pakkus välja, et jää sulamise ja normaalrõhul (1 atm ehk 101 325 Pa) keeva vee temperatuuride vaheline temperatuurivahemik tuleb jagada sajaks võrdseks osaks (Celsiuse kraadid). , kuigi rafineeritumal kujul, kui ühte Celsiuse kraadi peetakse võrdseks ühe kelviniga. Sel juhul võetakse jää sulamistemperatuuriks 0 ° C ja vee keemistemperatuur muutub ligikaudu 99,975-ks ° C. Saadud parandused ei ole reeglina olulised, kuna enamik kasutatavatest alkoholi-, elavhõbeda- ja elektroonilistest termomeetritest ei ole piisava täpsusega (kuna see pole tavaliselt vajalik). See võimaldab teil neid väga väikeseid parandusi ignoreerida.

Alates rahvusvahelise mõõtühikute süsteemi (SI) kasutuselevõtust on soovitatud kasutada kahte temperatuuriskaalat. Esimene skaala on termodünaamiline, mis ei sõltu kasutatava aine (töövedeliku) omadustest ja viiakse sisse Carnot tsükli kaudu. Seda temperatuuriskaalat käsitletakse üksikasjalikult kolmandas peatükis. Pangem lihtsalt tähele, et selle temperatuuriskaala temperatuuriühik on üks kelvin (1 K), üks seitsmest SI-süsteemi baasühikust. See ühik on oma nime saanud inglise füüsiku William Thomsoni (lord Kelvin) (1824-1907) järgi, kes töötas selle skaala välja ja jättis temperatuuriühiku samaks, mis Celsiuse temperatuuriskaalal. Teine soovitatav temperatuuriskaala on rahvusvaheline praktiline skaala. Sellel skaalal on 11 võrdluspunkti - mitmete puhaste ainete faasisiirde temperatuurid ja nende temperatuuripunktide väärtusi täpsustatakse pidevalt. Temperatuuri mõõtühikuks rahvusvahelises praktilises skaalas on samuti 1 K.

Keha, mille termomeetrilist omadust kasutatakse temperatuuri mõõtmiseks, nimetatakse termomeetriliseks kehaks.

Vastavalt tööpõhimõttele on kõik termomeetrid jagatud järgmistesse rühmadesse, mida kasutatakse erinevate temperatuurivahemike jaoks:

Paisumistermomeetrid vahemikus -260 kuni +700 °C, põhinevad vedelike või tahkete ainete mahu muutustel temperatuurimuutustega.

Manomeetrilised termomeetrid vahemikus -200 kuni +600 °C, temperatuuri mõõtmise aluseks on suletud ruumala vedeliku, auru või gaasi rõhu sõltuvus temperatuurimuutusest.

Elektritakistustermomeetrid on standardsed vahemikus -270 kuni +750 °C, muutes temperatuurimuutuse juhtide või pooljuhtide elektritakistuse muutuseks.

Termoelektrilised termomeetrid (või püromeetrid), standardne vahemikus -50 kuni +1800 °C, mille teisendamine põhineb elektromotoorjõu väärtuse sõltuvusel erinevate juhtide ristmiku temperatuurist.

Kiirguspüromeetrid 500–100 000 °C, mis põhinevad temperatuuri mõõtmisel kuumutatud keha poolt kiiratava kiirgusenergia intensiivsuse järgi,

Termomeetrid, mis põhinevad elektrofüüsikalistel nähtustel vahemikus -272 kuni +1000 °C (termomüra termoelektrilised muundurid, mahuresonantstermomuundurid, tuumaresonantstermomuundurid).

1 Kontakttemperatuuri mõõtmise meetod

Konstantse mahuga gaasitermomeeter (joonis nr 2) koosneb termomeetrilisest korpusest - gaasiosast, mis on suletud anumasse, mis on toruga ühendatud manomeetriga. Mõõdetud füüsikaline suurus (termomeetriline karakteristik), mis võimaldab temperatuuri määrata, on gaasi rõhk teatud fikseeritud ruumala juures. Mahu püsivus saavutatakse sellega, et vasakpoolse toru vertikaalse liikumisega viiakse tase manomeetri parempoolses torus samale väärtusele (võrdlusmärk) ja sel hetkel vedeliku tasemete kõrguste erinevus. manomeetris mõõdetakse. Erinevate korrektsioonide (näiteks termomeetri klaasosade soojuspaisumine, gaasi adsorptsioon jne) arvessevõtmine võimaldab saavutada konstantse mahuga gaasitermomeetriga temperatuuri mõõtmise täpsuse, mis on võrdne ühe tuhandiku kelviniga.

Riis. Nr 2 Gaasi termomeetri diagramm

Gaasitermomeetrite eeliseks on see, et nende abil määratud temperatuur madala gaasitiheduse juures ei sõltu kasutatava gaasi iseloomust ning gaasitermomeetri skaala ühtib hästi absoluutse temperatuuriskaalaga.

Vedeliku termomeeter (joonis nr 3) on igapäevaelus enimkasutatav termomeeter, mis põhineb vedeliku mahu muutumisel selle temperatuuri muutumisel. Elavhõbeklaasist termomeetris on termomeetriline korpus elavhõbe, mis on paigutatud kapillaariga klaasanumasse. Termomeetriline karakteristik on kaugus kapillaaris olevast elavhõbeda meniskist suvalise fikseeritud punktini. Elavhõbedatermomeetreid kasutatakse temperatuurivahemikus -35 oC kuni mitmesaja kraadi Celsiuse järgi.

Riis. Nr 3 Vedeliku termomeetri diagramm

a - välise skaalaga ruumitermomeeter;

b - sisseehitatud skaalaga laboritermomeeter, mille skaala punkt on 0 °C.

Muud tüüpi tavaliselt kasutatavad vedelikutermomeetrid on alkohol (-8 °C kuni +8 °C) ja pentaan (-200 °C kuni +35 °C). Pange tähele, et vett ei saa kasutada termomeetrilise kehana vedelas termomeetris: vee maht esmalt langeb temperatuuri tõustes ja seejärel suureneb, mistõttu ei ole võimalik kasutada vee mahtu termomeetrilise tunnusena.

Termopaarides rakendatakse teist temperatuuri mõõtmise põhimõtet. Termopaar (joonis nr 4) on elektriahel, mis on joodetud kahest erinevast metalljuhist, mille üks ristmik on mõõdetud temperatuuril (mõõteliitmik), teine (referentsliitmik) on näiteks teadaoleval temperatuuril. toatemperatuuril. Liitmike temperatuuride erinevuse tõttu tekib elektromotoorjõud (termo-EMF), mille mõõtmine võimaldab määrata ristmike temperatuuride erinevust ja seega ka mõõteühenduse temperatuuri.

Sellises termomeetris on termomeetriline korpus kahe metalli ühenduskoht ja termomeetriline tunnus on ahelas tekkiv termo-EMF. Termopaaride tundlikkus ulatub ühikutest sadade μV/K-ni ning mõõdetud temperatuuride vahemik on mitmekümnest Kelvinist (vedela lämmastiku temperatuur) kuni pooleteise tuhande Celsiuse kraadini. Kõrgete temperatuuride korral kasutatakse väärismetallidest termopaare. Kõige laialdasemalt kasutatavad termopaarid põhinevad järgmiste materjalide ühendustel: vask-konstantaan, raud-konstantaan, kromel-alumel, plaatina-roodium-plaatina.

Riis. Nr 4 Termopaari ahel

2 Mittekontaktne temperatuuri mõõtmise meetod

Mittekontaktne meetod põhineb kiirguse kaudu edastatava ja uuritavast mahust teatud kaugusel tajutava soojusenergia tajumisel. See meetod on vähem tundlik kui kontakt. Temperatuuri mõõtmised sõltuvad suurel määral kalibreerimistingimuste taasesitusest töö ajal ja muidu tekivad olulised vead. Seadet, mida kasutatakse temperatuuri mõõtmiseks, teisendades selle väärtused signaaliks või näiduks, nimetatakse termomeetriks (GOST 13417-76). Need on järjestikku ühendatud termoelemendid, mis kasutavad tuntud Seebecki efekti. Termoelement koosneb kahest elektrit juhtivast materjalist, mis on paigutatud juhtivate radade kujul ja mis on ühes punktis üksteisega kontaktis (nn kuum ristmik). Kui välismõjude mõjul tekib kokkupuutepunkti (kuum ristmik) ja mõlema lahtise otsa (külmühendus) vahel temperatuuride erinevus, siis tekib termoelementide mõlemasse otsa mitmemillivoldine pinge.

Kontaktivaba temperatuuri mõõtmise meetodi korral põhjustab "kuuma ristmiku" punkti temperatuuri tõusu sellesse punkti siseneva infrapunakiirguse neeldumine. Iga objekt kiirgab infrapunavalgust ja selle valguse energia suureneb objekti temperatuuri tõustes. Selle efekti alusel mõõdavad Thermopile moodulid kiirgusvõimsust ja määravad seega suure täpsusega objekti temperatuuri.

3 Luminestsentstemperatuuri mõõtmise meetod

Kaasaegsed fiiberoptilised andurid võimaldavad mõõta paljusid labori- ja tööstusrajatiste omadusi, eelkõige temperatuuri. Hoolimata asjaolust, et nende kasutamine on üsna töömahukas, annab see selliste andurite praktikas kasutamisel mitmeid eeliseid: mitteinduktiivsed (st ei ole vastuvõtlikud elektromagnetilise induktsiooni mõjule); väikesed anduri suurused, elastsus, mehaaniline tugevus, kõrge korrosioonikindlus jne.

Soojuskiirgusel põhinev andur. Temperatuuri mõõtmise seadmetena saab kasutada soojuskiirgusel põhinevaid fiiberoptilisi andureid, mille olemus on järgmine. Uuritav aine temperatuuril üle 0 K kiirgab aatomite ja molekulide termilise vibratsiooni tõttu soojuskiirgust. Kiirgusenergia suureneb temperatuuri tõustes ja lainepikkus, mille juures kiirgus on maksimaalne, väheneb. Vastavalt sellele saab temperatuuri määramiseks kasutada Plancki valemit musta keha soojuskiirguse energia kohta fikseeritud lainepikkusel või lainepikkuste vahemikus.

Andur, mis põhineb pooljuhi valguse neeldumisel. Tuntud on ka fiiberoptilised andurid, mille töö põhineb teatud pooljuhtide optilistel omadustel. Kasutataval pooljuhil on optilise neeldumisspektri piirav lainepikkus. Valguse puhul, mille lainepikkus on lühem kui juhil, neeldumine suureneb ja temperatuuri tõustes liigub piirlainepikkus pikemate lainepikkuste suunas (umbes 3 nm/K). Kui pooljuhtkristallile suunatakse kiir valgusallikast, mille emissioonispekter asub neeldumisspektri kindlaksmääratud piiri läheduses, väheneb temperatuuri tõustes sensori valgustundlikku osa läbiva valguse intensiivsus. Anduri väljundsignaali põhjal saab seda meetodit kasutades salvestada temperatuuri.

Seda meetodit kasutades saate mõõta temperatuuri vahemikus 30 kuni 300 °C veaga ±0,5 °C.

Fluorestsentsil põhinev andur. See andur on konstrueeritud järgmiselt. Valgustundliku osa optilise kiu otsa kantakse fluorestseeruv aine. Optilise kiu poolt juhitavate ultraviolettkiirte tekitatud fluorestsentskiirgus võtab vastu sama kiud. Temperatuurisignaal määratakse, arvutades temperatuurist tugevasti sõltuva lainepikkusega signaali vastavate fluorestsentskiirguse intensiivsuse ja erineva lainepikkusega, nõrgalt temperatuurist sõltuva signaali intensiivsuse suhte.

Sellise anduriga mõõdetud temperatuuride vahemik on vahemikus -50 kuni 200 °C veaga ±0,1 °C.

Kiudoptiliste andurite kasutamine võimaldab kogu selle atraktiivsuse juures mõõta temperatuuri ainult objekti kohalikus punktis, mis mõnevõrra kitsendab nende rakendusala.

Järeldus

Temperatuur on üks peamisi parameetreid, mida kontrollivad metallurgiaprotsesside automaatsed juhtimissüsteemid. Agressiivse keskkonna ja kõrge temperatuuri tingimustes sobivad kõige paremini fotoelektrilised püromeetrid. Need võimaldavad teil temperatuuri reguleerida vahemikus 100 kuni 6000 ° C ja üle selle. Nende seadmete üks peamisi eeliseid on kuumutatud keha temperatuurivälja mõju puudumine arvestile, kuna mõõtmisprotsessi ajal ei puutu need üksteisega otseselt kokku. Fotoelektrilised püromeetrid võimaldavad ka pidevat automaatset temperatuuri mõõtmist ja salvestamist, mis võimaldab neid kasutada automaatsetes protsessijuhtimissüsteemides ilma lisakuludeta liideseseadmete ostmiseks ja hooldamiseks.

Käesolevas töös esitatud temperatuuri mõõtmise luminestsentsmeetodite ülevaatel on võrreldes kontaktmeetoditega samad eelised kui optilistel meetoditel. Samal ajal on see temperatuuri uurimise protsessi korraldamisel vähem keeruline ja teiste optiliste meetoditega võrreldes mitte vähem täpne. Lisaks võimaldab luminestsentsomaduste kasutamine välja töötada meetodeid keeruka geomeetrilise kujuga objektide temperatuuriväljade mõõtmiseks.

Ülaltoodud ülevaatest nähtub, et luminestsentsmeetodeid kasutavate temperatuurimõõtmistehnoloogiate edasiarendamise ja täiustamise vajadus on ilmne.

fluorestseeruv temperatuuritermomeeter

Kirjandus

1. Preobraženski, V.P. Soojusmõõtmised ja instrumendid. / V.P. Preobraženski - M.: Energia, 1978. - Lk 704

Chistyakov, S.F., Radun D.V. Soojusmõõtmised ja instrumendid. / S.F. Tšistjakov - M.: Kõrgkool, 1972. - Lk 392

Nikonenko, V.A., Sild Yu.A., Ivanov I.A. Termopildistusseadmete mõõtmise metroloogilise tugisüsteemi väljatöötamine. - Mõõtetehnika, nr 4, 2004. - Lk 48-51

Mõõtmised tööstuses: viide. Ed.