Приборы для измерения температуры

Кратко рассмотрим наиболее значимые в практике приборы, измеряющие температуру на основе изложенного обзора датчиков, применяемых в этих приборах. Как уже указано, функции таких приборов очень широки. Они измеряют температуру тела, воды, топлива, масла, пара, газа, окружающей среды и т. д. При этом еще раз напомним, что принцип действия всех этих приборов основан на изменении свойств тела при изменении его температуры. Рисунок 16.1, на взгляд авторов курса, хорошо иллюстрирует диапазон измерения прибора в соответствие с применяемым в нем датчика. Так, в итоге такого обзора можно сделать вывод о возможностях ис

Датчики температуры. Общий обзор [Электронный ресурс]. URL: https:// mcucpu.ru/index.php/pdevices/datchiki/107-datchiki-temperatury (дата обращения: 06.12.2021).

пользования в практических случаях измерения температуры среды следующими приборами:

  • — термометрами расширения и сопротивления — от 200 до 500 °С;
  • — манометрическими — от 130 до 550 °С;
  • — термоэлектрическими — от 200 до 1600 °С.

Термометры расширения. Принцип их действия основан на различии температурных коэффициентов теплового расширения разных тел.

Такие приборы наиболее широко применяются на судах речного флота. Применяют в основном жидкостные и биметаллические термометры расширения. Принцип работы жидкостных термометров основан на свойстве теплового расширения ртути, этилового спирта и других жидкостей, заключенных в стеклянную трубку. Для измерения температуры в судовых условиях в качестве жидкостных используют в основном ртутные термометры (рис. 16.2).

Жидкостные термометры

Рис. 16.2. Жидкостные термометры

Температура кипения жидкости, как известно, повышается с ростом давления, поэтому для увеличения верхнего предела измерения температур пространство над ртутью в стеклянной трубке (капилляре) заполняют азотом под давлением до 2 МПа. Верхний конец трубки запаян, а нижний имеет форму расширяющегося резервуара.

Ртутные жидкостные термометры выпускают прямыми и угловыми. В зависимости от предела измерения температуры они имеют номера от первого до одиннадцатого. Наибольший номер соответствует наибольшему пределу измерения. Металлические оправы стеклянных трубок бывают прямыми (рис. 16.2, а) и угловыми (рис. 16.2, б). Для измерения температуры и сигнализации о достижении ею предельных значений применяют электроконтактные ртутные термометры (рис. 16.3, в).

В пределах измеряемых температур до 100 °С относительная погрешность результатов измерений ртутных термометров не превышает ±2—4 %. Ртутные термометры сравнительно дешевы, просты по устройству, их легко монтировать на объектах измерения. Недостатки таких термометров — небольшая механическая прочность, некоторое неудобство отсчетов по шкале и низкая чувствительность при быстрых изменениях температуры.

Биметаллические термометры (рис. 16.3) представляют собой пружину, составленную из двух спаянных между собой металлов, например инвара (сплава железа с никелем) и латуни, с разными температурными коэффициентами теплового расширения.

Биметаллические термометры

Рис. 163. Биметаллические термометры

Пружина 2 может быть плоской (рис. 16.3, а) или спиральной (рис. 16.3, б). При нагревании разнородные металлы удлиняются неодинаково, что вызывает изгиб плоской или скручивание спиральной пружины и перемещение стрелки по шкале 1. Биметаллические термометры просты по конструкции и надежны в эксплуатации. Их недостаток заключается в том, что при перегреве измерительный механизм быстро выходит из строя. В судовых условиях биметаллические термометры используют в основном как дистанционные с электрической или механической передачей сигналов.

В основе построения дилатометрических датчиков лежит упругое изменение линейных размеров рабочего тела при изменении температуры (дилатометрический эффект). Перемещение свободного конца рабочего тела относительно закрепленного преобразуется в выходной сигнал с помощью любого преобразователя перемещений.

Манометрические термометры. Принцип их действия основан на зависимости давления термометрического вещества от его температуры. Термометр (рис. 16.4) состоит из термобаллона 3, манометра 1 и соединяющей их капиллярной трубки 2. Термобаллон заполняют жидкостью (ртутью, ксилолом, метиловым спиртом) или инертным газом (обычно азотом) и помещают в среду, температуру которой измеряют.

Манометрический термометр

Рис. 16.4. Манометрический термометр

При нагревании баллона давление в его внутренней полости повышается и стрелка манометра 1 поворачивается на соответствующий этому давлению угол. Изменение давления жидкости или газа в термобаллоне прямо пропорционально изменению температуры среды, в связи с чем шкалу манометра градуируют в градусах Цельсия.

В зависимости от типа заполнителя этими термометрами измеряют температуру от 130 до 550 °С. Относительная погрешность результатов измерений таких приборов не превышает ±2 %, а точность показаний зависит от температуры среды, в которой находятся капиллярная трубка и манометр. Такие приборы часто используются в системах контроля параметров работы судовых энергетических установок, для регистрации и дистанционной передачи показаний на расстояния до 60 м.

В электроэнергетике для измерения температуры находящихся под напряжением токоведущих шин и коммутирующих контактов электрооборудования в основном применяют бесконтактные инфракрасные пирометры, которые без прикосновения к токоведущим, вращающимся или движущимся частям такого оборудования позволяют мгновенно оценить нагреваемые током участки и оперативно принять правильное решение. Для этих целей в основном применяют очень удобные в эксплуатации ручные инфракрасные пирометры американской компании Каугек1. Встраиваемый в такое устройство лазер указывает точку измерения на оборудовании, а температура отображается на дисплее пирометра.

Также применяются современные волоконно-оптические датчики контроля температуры1 [1] . Принцип их работы заключается в следующем. Воздействие температуры на оптические волокна изменяет характеристики пропускания светового излучения, что приводит к изменению характеристик сигнала обратного отражения. Измерение достигается на сравнении спектров и интенсивностей исходного и рассеянного обратного (прошедшему по волокну) лазерного излучения. Необходимость проверки и измерений такой температуры заключается в том, что в процессе длительной эксплуатации оборудования окисляются места соединения между шиной и стационарными контактами, в результате в этих местах возникает перегрев, ведущий к авариям и экономическим потерям.

Термометры сопротивления. В практике термометры сопротивления получили название «терморезисторы». Принцип их действия, как уже упомянуто, основан на зависимости электрического сопротивления металлического проводника от температуры. Для измерения температуры среды в нее помещают терморезистор, через который пропускают ток; по изменению его сопротивления судят о температуре этой среды. В качестве термоэлектрического сопротивления прибора (рис. 16.5) обычно используют тонкий медный или платиновый (для измерения более высоких температур) провод.

Термометр сопротивления

Рис. 16.5. Термометр сопротивления

Провод наматывают на специальный каркас из изоляционного теплостойкого материала (обычно слюда), помещают в защитный чехол 5 и включают в цепь уравновешенного электрического моста 1—2—3—4.

Изменение температуры среды приводит к нарушению равновесия моста, и на зажимах 1 и 3 возникает разность потенциалов, измеряемая вольтметром V, градуированным в градусах Цельсия.

Терморезисторами измеряют температуру среды практически любых объектов в пределах от 200 до 500 °C, однако конструктивно они сложнее манометрических термометров, требуют дополнительного источника питания, но зато обладают высокой чувствительностью и обеспечивают дистанционную передачу показаний от оператора в любую контролируемую точку объекта.

Все термометры сопротивления стандартизуются по так называемому нулевому сопротивлению, т. е. сопротивлению при температуре 0 °C. Промышленностью выпускаются соответствующие такому стандарту термометры номиналами 50, 100, 500 и 1000 Ом. Также существует маркировка по типу металла, используемому для измерения при нулевой температуре. Например, широко распространены ранее упомянутые медные датчики ТСМ100 и платиновые ТСП100.

В системах автоматики, как уже упомянуто в теме 12, в настоящее время широко применяются полупроводниковые термосопротивления (терморезисторы), температурный коэффициент которых на порядок выше, чем у металлов. Кроме этого, полупроводниковые терморезисторы имеют меньшие размеры, чем выше рассмотренные металлические, и, соответственно, значительно меньшую тепловую инерционность. Их внешний вид ничем не отличается от обычных резисторов (рис. 16.6).

Внешний вид терморезисторов

Рис. 16.6. Внешний вид терморезисторов

Полупроводниковые терморезисторы представляют собой небольшой кусочек полупроводникового вещества (обычно смесь оксидов кобальта и марганца или меди и марганца) с двумя выводами, который помещается в защитный металлический стеклянный или пластмассовый корпус (рис. 16.7).

По виду статических характеристик полупроводниковые терморезисторы подразделяются на два типа: термисторы и позисторы.

Рис. 16.7. Конструкция терморезисторов:

  • 1 — полупроводниковый элемент; 2 — электрод;
  • 3 — вывод; 4 — защитное покрытие

Зависимость сопротивления терморезистора от температуры является нелинейной функцией, определяемой как

где Ro номинальное сопротивление при исходной температуре (обычно при 20 °C), указываемое в справочниках; В — коэффициент температурной чувствительности, зависящий от физико-химических свойств полупроводника, в кельвинах (К), у разных типов терморезисторов В = 700 н-15 800 К; Т — любая температура в рабочем диапазоне 20—150 °C, К.

Из графиков рис. 16.8, отражающих качественный вид их зависимостей от температуры, видно, что у термисторов (рис. 16.8, а) при нагревании электрическое сопротивление уменьшается, а у позисторов (рис. 16.8, б) — увеличивается.

Вид зависимостей терморезисторов от температуры

Рис. 16.8. Вид зависимостей терморезисторов от температуры: а — термисторы; б — позисторы

Термоэлектрические пирометры (термопары). В них используется зависимость термо-ЭДС от изменения температуры, возникающей при нагревании места спая двух разнородных металлов или сплавов. Они состоят из двух изолированных электродов 4 (рис. 16.9), спаянных на конце.

Свободные концы электродов включены в общую электрическую цепь с милливольтметром 3, шкала которого градуирована в единицах температуры.

Термоэлектрический пирометр (термопара)

Рис. 16.9. Термоэлектрический пирометр (термопара)

В зависимости от измеряемых температур в качестве электродов могут использоваться железо-константановые, хромель-копелевые (до 600 °С) и хромель-алюминиевые (до 900 °С), платинородиевые и платиновые (до 1600 °С) проволочки.

Проволочки термопар (за исключением места спая) изолированы одна от другой и от наконечника 1. При нагревании спая сопротивление электродов увеличивается, а при охлаждении — уменьшается, что приводит к изменению термоЭДС, соответственно которому изменяется и напряжение в цепи милливольтметра.

Термопары применяют на судах и других тепловых объектах промышленности, главным образом для измерения температуры выпускных газов дизелей и котлов.

Пирометр, используемый для измерения температуры выпускных газов дизелей, обычно состоит из нескольких термопар, установленных на выпускных патрубках цилиндров и подключенных через переключатель к общему милливольтметру.

В последнее время в связи с развитием новых технологий в электронной промышленности и появлением новых композиционных материалов расширяются возможности получения новых свойств в устройствах, созданных на базе термопар[2].

Искусственно создаваемые различными примесями, радиационными полями или другими способами дефекты в кристаллической решетке полупроводникового вещества позволяют как ухудшить термоэлектрические свойства материала, так и улучшить их.

Работы в основном направлены на применение новых материалов, усиливающих термоэлектрический эффект. Например, в результате таких работ в 2004 г. израильская компания АсиуеСоо! выпустила в продажу новую систему охлаждения компьютеров под названием АС4С, представляющую собой твердотельный термоэлектрический тепловой насос (НеаХритр'). Термоэлектрический преобразователь создан по технологии изготовления интегральных микросхем. Технология охлаждения построена на основе термоэлектрических преобразователей, применяемых в аэрокосмической индустрии и военной технике. Создаваемые в промышленности модули, состоящие из нескольких сотен термопреобразователей, пока имеют низкий КПД (8—12 %) что не позволяет им конкурировать в большой энергетике с тепловыми машинами. Однако внедрение новых технологий, при которых станет возможным производить термоэлектрические модули на подложках больших размеров, расширит рамки областей их применения. Исследования показывают, что разработанные термоэлектрические генераторы можно использовать совместно со светодиодными осветительными приборами, обеспечивающими дежурное и аварийное освещение подвальных или лестничных площадок, площадок перед подъездами и т. д., где имеется градиент температур. Данные изделия могут найти применение и в других отраслях народного хозяйства, где есть выделение тепловой энергии: автомобилестроение, коммунальное хозяйство, промышленность и пр.

Следует также отметить, что применение термоэлектрических модулей имеет высокую экономическую эффективность, так как зачастую при этом утилизируется неиспользуемая тепловая энергия, которая просто «растворяется в пространстве».

Вопросы и задания для самоконтроля

  • 1. Какие методы в основном лежат в приборах для измерения температуры во всех областях народного хозяйства?
  • 2. На какие виды подразделяются контактные датчики для измерения температуры?
  • 3. Какие разновидности датчиков существуют в зависимости от вида и свойства использованного материала в его сенсоре?
  • 4. Какие виды приборов — измерителей температуры характерны для различных сред по их температурным параметрам?
  • 5. В чем заключается принцип действия термометров сопротивления?
  • 6. По какому принципу стандартизируются термометры сопротивления?
  • 7. Где в основном применяются термоэлектрические термометры и где — термометры сопротивления?

  • [1] Применение пирометров на энергетических объектах [Электронный ресурс]. иКЬ: http://electricalschool.info/main/electroinstrument/222-primenenie-pirometrov-na.html (дата обращения: 06.12.2021). 2 Бростилов С. А. и др. Волоконно-оптические системы контроля температуры энергетических объектов // Труды Международного симпозиума «Надежность и качество». 2016. Т. 2. С. 66—67.
  • [2] Шелехов И. Ю. и др. Опыт использования термоэлектрических генераторов // Фундаментальные исследования. 2013. № 11-5. С. 919—923.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >