Шпаргалка: Технические измерения

4.12. Измерение температуры

Измерять температуру можно только косвенным путем, основываясь на зависимости от температуры таких физических свойств тел, которые поддаются непосредственному измерению. К ним относят длину, объем, плотность, термоЭДС, электрическое сопротивление и т. д. Вещества, характеризующиеся термометрическими свойствами, называют термометрическими.

4.12.1. Температурные шкалы и единицы тепловых величин

Установлено, что нет ни одного термометрического свойства, которое линейно изменяется с изменением температуры и не зависит от других факторов в широком интервале измерения температур.

Фарангейт (1715 г.), Реомюр (1776 г.), Цельсий (1742 г.) при построении шкал использовали две опорные, или реперные точки, представляющие собой температуры фазового равновесия чистых веществ, и наличие линейной связи между температурой и термометрическими свойствами жидкости.

Связь между шкалами Цельсия, Реомюра и Фарангейта можно представить соотношением toC = 1,25oR = (5/9)×(toF – 32).

Создание температурной шкалы, не зависящей от термометрических свойств вещества (абсолютной шкалы), принадлежит Кельвину (1848 г.). Термодинамическая (абсолютная) шкала основана на втором законе термодинамики. В соответствии с этим законом коэффициент полезного действия тепловой машины, работающей по обратимому циклу Корно, определяется только температурами нагревателя и холодильника и не зависит от свойств вещества. Кельвиным для определения температуры было предложено использовать равенство Тн/Тх = Qн/Qх ,

где Тн, Тх – соответственно температура нагревателя и холодильника;

 Qн, Qх – соответственно количество теплоты, полученное рабочим веществом от нагревателя и отданное холодильнику.

Кельвин – 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды. Термодинамическая температура может быть также выражена в градусах Цельсия: t = Т – 273,15 К.

В настоящее время действует принятая на ХIII конференции по мерам и весам усовершенствованная шкала под названием "международная практическая температурная шкала 1968" (МПТШ – 68). Температуры МПТШ – 68 снабжаются индексами Т68 или t68.

МПТШ – 68 основывается на ряде воспроизводимых состояний равновесия (реперных точек) некоторых веществ – 11 основных и 27 вторичных реперных точек, охватывающих диапазон температур от 13,956 до 3660 К (от –259,194 до 3387 оС). Числовые значения температур по основным реперным точкам, приведенные в табл. 4.2, соответствуют термодинамической шкале и определены с помощью газовых термометров.

Таблица 4.2

Основные реперные точки МПТШ – 68

Состояние равновесия	Температура		Состояние равновесия	Температура
	Т68 К	t68, оС		Т68 К	t68, оС
Тройная точка водорода	13,81	-259,34	Точка кипения воды	373,15	100
Точка кипения водорода	20,28	-252,87	Точка затвердевания олова	505,1181	231,9681
Точка кипения неона	27,102	-246,048	Точка затвердевания цинка	692,73	419,58
Тройная точка кислорода	54,361	-218,789	Точка затвердевания серебра	1235,08	961,93
Точка кипения кислорода	90,188	-182,962	Точка затвердевания золота	1337,58	1064,430
Тройная точка воды	273,16	0,01

Газовые термометры бывают трех типов: постоянного объема, постоянного давления и постоянной температуры. В газовом термометре постоянного объема (рис.4.68) изменение температуры газа пропорционально изменению давления. Газовый термометр состоит из баллоны 1 и соединительной трубки 2, заполненных через вентиль 3 водородом, гелием или азотом (для высоких температур). Соединительная трубка 2 подсоединена к трубке 4 двухтрубного манометра, у которого трубку 5 можно перемещать вверх и вниз благодаря гибкому соединительному шлангу 6.

При измерении температуры объем системы, заполненной газом, изменяется, и для приведения его к первоначальному значению трубку 5 вертикально перемещают до тех пор, пока уровень ртути в трубке 4 не совпадет с осью Х-Х. При этом столб ртути в трубке 5, отсчитанный от уровня Х-Х, будет соответствовать давлению газа Р в баллоне. Если при температуре тройной точки воды Т0 давление газа в баллоне равно Р0, то при измеренном давлении Р искомая температура .

Таблица 4.3

Единицы тепловых величин

Величина	Наименование	Обозначение
		Русское	Меж-дуна-родное
Температура	Кельвин	К	K
Количество теплоты	Джоуль	Дж	J
Теплоемкость, энтропия	Джоуль на кельвин	Дж×К-1	J×K-1
Тепловой поток	Ватт	Вт	W
Коэффициент теблообмена, коэффициент теплопередачи	Ватт на квадратный метр-кельвин	Вт×м-2×К-1	W×m-2×K-1
Коэффициент теплопроводности	Ватт на метр-кельвин	Вт×м-1×К-1	W×m-1×K-1
Температурный коэффициент линейного расширения	Метр на метр-кельвин	м×м-1×К-1	m×m-1×K-1
Температурный коэффициент объемного расширения	Кубический метр на кубический метр-кельвин	м3×м-3×К-1	m3×m-3×K-1

Интерполяция между реперными точками шкалы производится с помощью эталонных: платинового термометра сопротивления в интервале от 13,81 до 903,89 К; платинородий-платиновой термопары в интервале температур от 903, 89 до 1337,58 К; квазимонохроматического термометра с использованием закона излучения Планка при температуре свыше 1337,58 К.

По системе SI единицы некоторых тепловых величин, применяемые в Российской Федерации, приведены в табл. 4.3.

4.12.2. Механические контактные термометры

К механическим контактным термометрам относятся: дилатометрические, биметаллические, жидкостные стеклянные, жидкостные манометрические, конденсационные манометрические и газовые.

Дилатометрический термометр (рис. 4.69, а) выполняется в виде металлической трубки с большим температурным коэффициентом линейного расширения и стержня (например, фарфорового) с малым коэффициентом линейного расширения, скрепленных между собой.

Разность перемещений концов трубки и стержня, вызванная изменением температуры, воспринимается рачажно-зубчатой системой и передается на отсчетное устройство.

Биметаллический термометр (рис. 4.69, б) состоит из двухслойной металлической ленты с разными коэффициентами линейного расширения. Наибольшее распространение получили ленты из латуни и инвара. При изменении температуры лента изменяет форму, что передается на отсчетное устройство.

Жидкостный стеклянный термометр (рис. 4.69, в) имеет стеклянный баллон с капилляром, заполненный термометрической жидкостью. В связи с различием коэффициентов объемного расширения стеклянного баллона с капилляром и термометрической жидкости появляется возможность измерения температуры.

Жидкостный манометрический термометр (рис. 4.69, г) состоит из термобаллона, погружаемого в среду, температура которой подлежит измерению, соединительного металлического капилляра и упругого чувствительного элемента. Вся система заполнена термометрической жидкостью. При повышении температуры жидкость расширяется, что приводит к деформации упругого чувствительного элемента.

Конденсационный манометрический термометр (см. рис. 4.69, г) по конструкции повторяет жидкостный манометрический и отличается только тем, что его термобаллон частично заполняется низкокипящей жидкостью. Давление насыщенных паров над жидкостью, являющееся мерой температуры, преобразуется в перемещение упругого чувствительного элемента.

Газовый термометр рассмотрен в п 4.12.1 (см. рис. 4.68).

4.12.3. Электрические контактные термометры

Термометр сопротивления металлический (рис. 4.70, а) состоит из чувствительного элемента в виде терморезистора, защитного чехла и соединительной головки. Чувствительный элемент металлического термометра сопротивления выполняется в виде обмотки на каркасе из теплостойкого изоляционного материала.

О температуре судят по изменению электрического сопротивления его чувствительного элемента, падению напряжения на нем при постоянном токе или значению тока при постоянном напряжении.

Термометр сопротивления полупроводниковый (рис. 4.70, б) аналогичен металлическому, но его чувствительный элемент выполнен в виде шайбы или бусинки из полупроводникового материала с двумя электрическими выводами.

Термоэлектрический термометр состоит из термопары, защитного чехла и соединительной головки. Термопара служит чувствительным элементом и состоит из двух термоэлектродов из различных материалов. Один (холодный) спай термопары поддерживается при постоянной температуре. ТермоЭДС, развиваемая термопарой, является мерой температуры второго (горячего) спая. На рис. 4.70, в приведена схема стандартной термоэлектрической термопары, а на рис. 4.70, г – термопары в тонком чехле.

4.12.4. Пирометры излучения

Все физические тала, температура которых превышает абсолютный нуль, испускают тепловые лучи. Средства измерения, определяющие температуру тел по их тепловому излучению, называют пирометрами излучения, или пирометрами.

Тепловое излучение представляет собой электромагнитное излучение, испускаемое веществом за счет его внутренней энергии.

Ввиду того, что интенсивность теплового излучения резко убывает с уменьшением температуры тел, пирометры используются в основном для измерения температуры от 300 до 6000 °С и выше. Для измерения температур выше 3000°С методы пирометрии являются единственными, так как они не требуют непосредственного контакта датчика прибора с объектом измерения.

В качестве величин, характеризующих тепловое излучение тел, в пирометрии используется спектральная энергетическая светимость (интенсивность монохроматического излучения, или излучательность) Е*l, полная энергетическая светимость (интегральная излучательность) Е*, а также спектральная энергетическая яркость В*l (индекс * относится к абсолютно черному телу).

Пирометры, измеряющие яркостную температуру по спектральной яркости в видимой части спектра, называют оптическими и фотоэлектрическими.

Яркостной температурой Тя реального тела называют такую температуру абсолютно черного тела, при которой его спектральная яркость В*l,Тя равна спектральной яркости реального тела Вl при его действительной температуре Т.

Приборы, измеряющие температуру по значению отношения энергетических яркостей в двух спектральных интервалах, называют цветовыми пирометрами, или пирометрами спектрального отношения.

Цветовой температурой Тц реального тела, имеющего истинную температуру Т, называется такая температура черного тела, при которой отношение его спектральных энергетических яркостей В*l1Тц/В*l2Тяц при длинах волн l1 и l2 равно отношению спектральных энергетических яркостей реального тела Вl1/Вl2 при тех же длинах волн.

Приборы, измеряющие температуру тела по интегральной излучательности, называют радиационными пирометрами, или пирометрами полного излучения. Если чувствительный элемент радиа­ционного пирометра воспринимает интегральную излучательность не во всем диапазоне длин волн от 0 до ¥, а в некотором ограниченном интервале длин волн от l1 до l2, то такой пирометр называют пирометром частичного излучения.

Радиационной температурой Тр реального тела, имеющего истинную температуру Т, называют такую температуру черного тела, при которой его интегральная излучательность Е* равна интегральной излучательности реального тела Е.

4.12.4.1. Приемники полного излучения

Приемники полного излучения отличаются тем, что их спектральная чувствительность постоянна в широком диапазоне длин волн от дальней инфракрасной области до ближней ультрафиолетовой. Их чувствительность не зависит от длины волны. Для увеличения поглощательной способности чувствительные поверхности приемников окрашивают в черный цвет. В длинноволновой области (начиная с 20 мкм) чувствительные поверхности приемника выполняются в виде незачерненных металлических слоев определенной толщины. Для уменьшения теплоотвода в среду приемник излучения помещают в вакуумированные или газонаполненные корпуса. Применяются следующие типы приемников полного излучения: термобатареи, болометры, тепловые быстродействующие индикаторы, пироэлектрические кристаллы и др.

Термобатареи выполняются на основе термопар, соединенных последовательно (до 20 термопар). Их горячие спаи располагаются на узком участке поверхности, на который фокусируется излучение. Термопары выполняются в виде тонкой фольги, проволоки или тонкой пленки, полученной методом испарения в вакууме.

Болометры — это термометры сопротивления, изготовленные либо из фольги проводящих материалов с температурным коэффициентом сопротивления aR » 10-3 К-1, либо из полупроводников (термисторов) с aR » 10-3 К-1. Чувствительная поверхность болометра из фольги для увеличения поглощающей способности зачерняется.

Схемы включения болометров требуют наличия источника питания.

Тепловые быстродействующие индикаторы выполняются в виде тонкослойной термопары или болометра, в которых активный слой имеет хороший тепловой контакт с основанием. Это дает возможность достичь сравнительно высокого быстродействия. Поэтому они используются в первую очередь для идентификации мощных сигналов, например, для регистрации высокочастотного модулированного лазерного излучения.

Пироэлектрические приемники излучения это кристаллы с определенным видом симметрии, в которых в зависимости от изменения температуры проявляется эффект спонтанной поляризации. Поэтому данные приемники излучения не требуют дополнительных источников питания.

Сильнее всего пироэлектрические свойства проявляются в таких материалах, как монокристаллы и керамика титаната бария, монокристаллы триглицинсульфата и ниобата бария-стронция.

4.12.4.2. Фотоэлектрические приемники излучения

Спектральная чувствительность фотоэлектрических приемников излучения неодинакова для различных длин волн и наиболее велика в видимой и ближней инфракрасной областях спектра. По сравнению с приемниками полного излучения фотоэлектрические обладают большим быстродействием и имеют более протяженные светочувствительные поверхности.

Такие приемники могут быть с внутренним фотоэффектом (фотоэлементы, фотодиоды, фототранзисторы, фоторезисторы) и с внешним фотоэффектом (фотоэлементы с внешним фотоэффектом, фотоумножители).

Фотодиоды— это структура, в которой при поглощении фотона образуется пара электрон - дырка. Возникающая разность потенциалов является мерой потока излучения.

Фототранзисторы представляют собой структуру, базовая область которой может облучаться светом. Фототранзистор служит, таким образом, одновременно и усилителем фототока, поэтому по сравнению с фотодиодом он имеет на порядок большую чувствительность, однако меньшее быстродействие.

Фоторезисторы — это полупроводниковые элементы, меняющие свою электропроводность под действием излучения. Благодаря большой допускаемой мощности рассеяния с помощью фоторезисторов можно коммутировать большие токи, достаточные для переключения электромагнитных реле.

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом выполняются обычно в виде стеклянного вакуумированного или газонаполненного баллона, внутри которого размещаются анод и катод в виде фоточувствительного слоя, нанесенного на внутреннюю поверхность баллона.

При освещении фотокатода освобождаются электроны, и при подключении анодного напряжения от внешнего источника возникает фототок, пропорциональный потоку излучения.

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом обладают высоким внутренним сопротивлением и работают при больших разностях потенциалов, поэтому их выходные сигналы можно использовать непосредственно для управления исполнительными устройствами.

Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) это устройство, содержащее в одном баллоне вакуумный фотоэлемент и вторичный электронный усилитель. Поток излучения освобождает из фотокатода электроны, которые разгоняются в электрическом поле и фокусируются на эмиттеры (диноды). При попадании каждого ускоренного электрона на динод освобождается от 5 до 10 новых электронов. Фотоумножители могут иметь 9 – 14 динодов и увеличивать общее число фотоэлектронов в 109 раз.

4.12.4.3. Пирометры

Все пирометры подразделяются на: пирометры полного излучения (пирометры с преломляющей и отражающей оптическими системами), квазимонохроматические пирометры (пирометры с исчезающей нитью и с оптическим клином), пирометры спектрального распределения (пирометры сравнения и спектрального отношения).

В пирометрах полного излучения используется не менее 90 % суммарного потока излучения источника. При измерении температуры реального тела пирометр полного излучения показывает не действительную, а так называемую радиационную температуру тела. При известном суммарном коэффициенте черноты тела возможен пересчет с радиационной температуры тела на его действительную температуру.

Недостатком пирометров полного излучения является то, что для определения действительной температуры необходимо знать коэффициенты черноты, а точность показаний пирометра зависит не только от стабильности коэффициента черноты, но и от поглощения излучения окружающей средой и оптической системой пирометра. Пирометры полного излучения удобно использовать поэтому не при измерении действительной температуры, а при измерениях разностей температур в неизменных условиях наблюдения.

В пирометрах с преломляющей оптической системой (рис. 4.71, а) излучение от объекта 1 через линзовый объектив 2 и диафрагму 3 поступает на приемник полного излучения 4. Для наводки на объект измерения служит окуляр 6 с дымчатым светофильтром 5 и диафрагмой 7. Отсчетным устройством является милливольтметр 8.

В пирометрах с отражающей оптической системой (рис. 4.71, б) излучение от объекта 1 попадает на приемник излучения 5 после прохождения через защитную полиэтиленовую пленку 2, диафрагму 3 и вогнутое зеркало 4. Для наводки на объект излучения служит зрительная труба 6, отсчет показаний производится по шкале милливольтметра 7. Полиэтиленовая пленка прозрачна для инфракрасного излучения и служит для защиты оптической системы пирометра от загрязнения и потоков воздуха.

Квазимонохроматические пирометры частичного излучения работают в узком диапазоне длин волн. При измерении устанавливается связь между действительной и яркостной температурой

В пирометрах с исчезающей нитью (рис. 4.72, а) в задней фокальной плоскости объектива 2 размещается нить лампы накаливания 3. Оператор 7 через окуляр 4, диафрагму 5 и фильтр 6 видит изображение нити лампы на фоне объекта 1. Наблюдение ведется в монохроматическом свете (обычно l = 0,65 мкм), создаваемом фильтром из красного стекла. С помощью реостата силу тока через лампу накаливания изменяют до тех пор, пока спектральные интенсивности излучения нити лампы и объекта не станут равными друг другу. В этот момент изображение нити исчезает на фоне объекта. Миллиамперметр 8 можно проградуировать в градусах температуры.

Пирометр с оптическим круговым клином (рис. 4.72, б) является модификацией вышеописанного пирометра. В нем яркостную температуру нити лампы накаливания 3 поддерживают постоянной, а уравнивание яркостей осуществляется перемещением оптического клина 2, пропускающего больше или меньше света от объекта 1. По положению клина можно судить о яркостной температуре объекта.

Пирометры спектрального распределения основаны на использовании зависимости интенсивности спектрального излучения нагретых тел от температуры и длины волны излучения. Мерой температуры может быть цвет излучающего объекта или отношение спектральных интенсивностей на двух различных длинах волн.

Поскольку в большинстве случаев характер зависимости спектральной интенсивности излучения от длины волны приблизительно одинаков для черного тела и реальных излучателей, то и различие между цветовой и действительной температурами невелико.

В пирометрах сравнения (рис. 4.73, а) отношение спектральных интенсивностей оценивается субъективно по цветовому ощущению, создаваемому смесью двух монохроматических пучков. Излучение от объекта 1 через объектив 2, нейтральный оптический клин 3 и двойной светофильтр 4 направляется к фотометрическому кубику 5. Двойной светофильтр выполнен в виде двух клиньев (красного и зеленого), относительным перемещением которых можно изменять соотношение между интенсивностями красного и зеленого цветов. На фотометрический кубик поступает также излучение от лампы накаливания 12 через матовое стекло 11, красный и зеленый светофильтры 10 и объектив 9. Через окуляр 6 и диафрагму 7 наблюдатель 8 видит два участка, соответствующих излучению от объекта и лампы, окрашенных смесью зеленого и красного цветов с различным соотношением их интенсивностей. Взаимным смещением оптических клиньев двойного светофильтра уравнивают соотношение интенсивностей красного и зеленого цветов излучения объекта и излучения лампы накаливания. Для уравновешивания .соотношения цветов необходимо равенство яркостей излучения объекта и лампы. Этого добиваются изменением положения нейтрального оптического клина 3. После уравновешивания положения нейтрального клина определяют яркостную температуру; положение одного из клиньев двойного светофильтра 4 определяет цветовую температуру объекта.

Оператор, работающий с пирометром сравнения, должен, конечно, обладать хорошим цветоощущением. В пирометрах спектрального отношения (рис. 4.73, б) вводится модуляция светового потока. Световой поток, пройдя от измеряемого объекта 1 через объектив 2, прерывается обтюратором с двумя светофильтрами 4, пропускающими излучение на двух длинах волн (l1 и l2), к фотоэлементу 5. Переменная составляющая выходного сигнала фотоэлемента усиливается усилителем 6 и подается на реверсивный двигатель 7, который перемещает уравновешивающий фильтр 3 до тех пор, пока не уравняются интенсивности излучения на обеих длинах волн. В положении равновесия перемещение фильтра является мерой измеряемой температуры.

Основное преимущество пирометров спектрального отношения заключается в независимости их показаний от излучательной способности объекта, а также от наличия дыма, пыли и испарений в пространстве между объектом и пирометром.