Измерение температуры

Размещено на http://www.allbest.ru/

Измерение температуры

План

1. Температурные шкалы

2. Классификация приборов для измерения температур

3. Манометрические термометры

4. Термоэлектрические термометры. Термоэлектрический эффект

5. Термометры сопротивления

6. Измерительные приборы термометров сопротивления. Уравновешенные мосты

7. Пирометры излучения

8. Квазимонохроматические пирометры

9. Пирометры спектрального отношения

10. Пирометры полного излучения

1. Температурные шкалы

Температура - важнейший параметр окружающей среды (ОС). Температура ОС характеризует степень нагретости, которая определяется внутренней кинетической энергией теплового движения молекул. Температуру можно определить как параметр теплового состояния. Для сравнения степени нагретости тел использует изменение какого либо физического их свойства, зависящего от температуры и легко поддающегося измерению (например, объемное расширение жидкости, изменение электрического сопротивления металла и т.д.).

Чтобы перейти к количественному определению температуры, необходимо установить шкалу температур., т.е. выбрать начало отсчета (нуль температурной шкалы) и единицу измерения температурного интервала (градус).

Температурные шкалы, применяемые до введения единой температурной шкалы, представляет собой ряд отметок внутри температурного интервала, ограниченного двумя легко воспроизводимыми постоянными (основными реперными или опорными) точками кипения и плавления химически чистых веществ. Эти температуры принимали равными произвольным числовым значениям t' и t”. Таким образом, 1 град = (t' - t”)/n, где t' и t” - две постоянные легко воспроизводимые температуры; n - целое число, на которое разбит температурный интервал.

Для разметки температурной шкалы чаще всего использовали объемное расширение тел при нагревании, а за постоянные точки принимали температуры кипения воды и таяния льда. На этом принципе основаны температурные шкалы, созданные Ломоносовым, Фаренгейтом, Реомюром и Цельсием. При построении этих шкал была принята линейная зависимость между объемным расширением жидкости и температурой, т.е.

dt = k dV (1),

где k - коэффициент пропорциональности (соответствует относительно температурному коэффициенту объемного расширения). Интегрирование уравнения (1) дает

t = kV + D (2),

где D - постоянная интегрирования.

Для определения постоянных k и D используют две выбранные температуры t' и t”. Приняв при температуре t' объем V', а при температуре t” - V”, получим

t' = kV' + D; (3)

t” = kV” + D; (4).

Вычтя уравнение (3) из уравнений (2) и (4), получим

t - t' = k(V - V') (5);

t” - t' = k(V” - V') (6).

Разделив уравнение (5) на уравнение (6), получим

(7),

где t' и t” - температура соответственно таяния льда и кипения воды при нормальном давлении и ускорении свободного падения 980,665 см/с²; V' и V” - объемы жидкостей, соответствующие температурам t' и t”; V - объем жидкости, соответствующий температуре t.

В природе нет жидкостей с линейной зависимостью между коэффициентом объемного расширения и температурой поэтому показания термометров зависят от природы термометрического вещества (ртути, спирта и т.п.).

С развитием науки и техники возникла необходимость в создании единой температурной шкалы, несвязанной с какими либо частными свойствами термометрического вещества и пригодные в широком интервале температур. В 1848 году Кельвин, исходя из второго начала термодинамики, предложил определять температуру на основании равенства

T₂/(T₂ - T₁) = Q₂/(Q₂ - Q₁),

где Т₁ и Т₂ - температура соответственно холодильника и нагревателя; Q₁ и Q₂ - количество теплоты, соответственно полученной рабочим веществом от нагревателя и отданной холодильнику (для идеальной тепловой машины, работающей по циклу Карно).

Пусть Т₂ равно температуре кипения воды (Т₁₀₀), а Т₁ - температура таяния льда (Т₀); тогда, приняв разность T₂ - T₁ равной 100 град и обозначив количество теплоты, соответствующее этим температурам, через Q₁₀₀ и Q₀, получим

Т₁₀₀ = Q₁₀₀ 100/(Q₁₀₀ - Q₀); Т₀ = Q₀ 100/(Q₁₀₀ - Q₀).

При любой температуре нагревателя

Т = Q 100/(Q₁₀₀ - Q₀) (8).

Уравнение является уравнением термодинамической шкалы температур, которое не зависит от свойств термометрического вещества.

Решением XI Генеральной конференции по мерам и весам в России предусмотрено применение двух температурных шкал: термодинамической и международной практической.

В термодинамической шкале Кельвина нижней точкой является точка абсолютного нуля (0К), а единственной экспериментальной основной точкой - тройная точка воды. Этой точке соответствует 273,16К. Тройная точка воды (температура равновесия воды в твердой , жидкой и газообразной фазах) ваше точки таяния льда на 0,01 град. Термодинамическую шкалу называют абсолютной, если в ней за нуль принята точка на 273,16К ниже точки плавления льда.

Строго говоря, осуществить шкалу Кельвина невозможно, т.к. уравнение ее выведено из идеального цикла Карно. Термодинамическая шкала температур совпадает со шкалой газового термометра, наполненного идеальным газом. Известно, что некоторые реальные газы (водород, гелий, неон, азот) в широком интервале температур по своим свойствам сравнительно мало отличаются от идеального газа. Так, шкала водородного термометра (с учетом поправок на отклонение свойств реального газа от идеального) представляет собой практически термодинамическую шкалу температур.

Международная практическая температурная шкала основана на ряде воспроизводимых равновесных состояний, которым соответствуют определенные значения температур (основные реперные точки), и на эталонных приборах, градуированных при этих температурах. В интервале между температурами основных реперных точек интерполяцию выполняют по формулам, устанавливающим связь между показаниями эталонных приборов и значениями международной практической шкалы. Основные реперные точки реализуются как определенные состояния фазовых равновесий некоторых чистых веществ и охватывают интервал температур от -259,34⁰С (тройная тоска равновесия водорода) до +1064,43⁰С (точка затвердевания золота).

Эталонным прибором, используемым в области температур от -259,34 до +630,74⁰С, является платиновый термометр сопротивления, от +630,74 до +1064,43⁰С - термоэлектрический термометр с термоэлектродами и платинародия (10% родия) и платины. Для области температур выше 1064,43⁰С температуру по международной практической шкале определяют в соответствии с законом излучения Планка.

Температуру, измеряемую по международной практической шкале, обозначают t, а числовые значения сопровождают знаком ⁰С.

Температура по термодинамической шкале связана с температурой по международной практической шкале соотношением T = t + 273,15. На IX генеральной конференции по мерам и весам в 1948 году международная практическая температурная шкала была названа шкалой Цельсия. Для международной практической шкалы температур и шкалы Цельсия общей является одна постоянная точка (температура кипения воды); во всех остальных точках эти шкалы существенно различаются, особенно при высоких температурах.

2. Классификация приборов для измерения температур

В зависимости от принципа действия промышленные приборы для измерения температуры классифицируются по ГОСТ 13417-76 на следующие группы:

Манометрические термометры, основаны на изменении давления рабочего вещества при постоянном объеме с изменением температур.

Термоэлектрические термометры включаю термоэлектрический преобразователь (термопару), действие которого основано на использовании зависимости термоэлектродвижущей силы от температуры.

Термометры сопротивления содержат термопреобразователь сопротивления, действие которого основано на использовании зависимости электрического сопротивления чувствительного элемента (проводника или полупроводника) от температуры.

Пирометры излучения; из них наиболее распространены:

квазимонохроматический пирометр, действие которого основано на использовании зависимости температуры от спектральной энергетической яркости, описываемой для абсолютно черного тела с достаточным приближением уравнениями Планка и Вина;

пирометры спектрального отношения, действие которых основано на зависимости от температуры тела отношений энергетических яркостей в двух или нескольких спектральных интервалах;

пирометры полного излучения, действие которых основано на использовании зависимости температуры от интегральной энергетической яркости излучения.

3. Манометрические термометры

Рис 1. Манометрический термометр 1 термобалон, 2 капиллярная трубка, 3-7 манометрической части

Вся система прибора заполнена рабочим веществом. Термобалон помещают в зону измерения температуры. При нагревании термобалона давление рабочего вещества внутри замкнутой системы увеличивается. Увеличение давления воспринимается манометрической трубкой (пружиной), которая воздействует через передаточный механизм на стрелку или перо прибора. Термобалон обычно изготовляют из коррозионно-стойкой стали, а капилляр - из медной или стальной трубки с внутренним диаметром 0,15 - 0,5 мм. В зависимости от назначения прибора длина капиллярной трубки может быть различной и находится обычно в пределах следующего ряда: 1; 1,6; 2,5; 4; 6; 10; 16; 25; 40 и 60 м.

Иногда капилляр может отсутствовать и термобалон непосредственно соединяют с манометрической частью. Для защиты от механических повреждений капилляр помещают в защитную оболочку из стального плетеного рукава.

В манометрических термометрах применяют одновитковые, многовитковые (геликоидальные) с числом витков от 6 до 9 и спиральные манометрические трубки.

Манометрические термометры широко применяют в химических производствах. Они просты по устройству, надежны в работе, при отсутствии электропривода диаграммы - взрыво- и пожаробезопасны. С помощью этих приборов можно измерять температуру в диапазоне от -150 до +600⁰С.

Согласно ГОСТ 8624-80 манометрические термометры имеют классы точности 1,0; 1,5; 2,5; 4,0.

Различают следующие типы манометрических термометров:

газовые, в которых вся система заполнена газом под некоторым начальным давлением;

жидкостные, в которых система заполнена жидкостью;

конденсационные, в которых термобалон частично заполнен низкокипящей жидкостью, а остальное пространство термобалона заполнено парами этой жидкости.

Манометрические газовые термометры основаны на зависимости между температурой и давлением газа, заключенного в герметически замкнутой термосистеме.

Начальное давление в газовых термометрах зависит от пределов температуры и составляет обычно 0,98 - 4,9 МПа. Чем выше температура, тем ниже давление и наоборот.

Газ для заполнения манометрических термометров должен быть химически инертным, обладать незначительной вязкостью, малой теплоемкостью, легко получаться в чистом виде. Всем этим требованиям наиболее полно удовлетворяет азот. Термометры, заполненные азотом, применяют в диапазоне температур от 0 до 600⁰С.

К специфическим недостаткам газовых манометрических термометров относятся: сравнительно большая тепловая инерция, обусловленная низким коэффициентом теплообмена между стенками термобаллона и наполняющим его газом и малой теплопроводностью газа; большие размеры термобаллона, что затрудняет его установку на трубопроводах малого диаметра; необходимость частой проверки. Последнее вызвано тем, что в процессе эксплуатации газовых термометров возможны нарушение герметичности и утечка газа, что не всегда можно сразу заметить.

Манометрические жидкостные термометры. В приборах этого типа всю систему термометра заполняют жидкостью под некоторым начальным давлением. К жидкостям, применяемым для заполнения, предъявляют следующие требования: возможно больший коэффициент объёмного расширения, высокая теплопроводность, небольшая теплоёмкость и химическая инертность к материалу термометра. Обычно применяют силиконовые жидкости. Предел измерения температуры от -150 до +300⁰С.

Манометрические конденсационные термометры. В конденсационных термометрах термобаллон обычно заполняют на ²/₃ объёма низкокипящей жидкостью. Перед заполнением термометра воздух из системы удаляют. В замкнутой системе термометра всегда поддерживается динамическое равновесие одновременно протекающих процессов испарения и конденсации. При повышении температуры усиливается испарение жидкости и увеличивается упругость пара, а в связи с этим усиливается также и процесс конденсации. в конечном итоге насыщенный пар достигает некоторого определенного давления, строго отвечающего температуре.

Конденсационные термометры более чувствительны, чем термометры других типов. Это объясняется тем, что давление насыщенного пара очень быстро изменяется с температурой.

4. Термоэлектрические термометры. Термоэлектрический эффект

В основу измерения температуры термоэлектрическими термометрами положен термолектрический эффект, заключающийся в том, что в замкнутой цепи термоэлектрического преобразователя (термопары), состоящего из двух или нескольких разнородных проводников, возникает электрический ток, если хотя бы два места соединения (спая) проводников имеют разные температуры. Спай, имеющий температуру t, называется рабочим, а спай, имеющий постоянную температуру t₀, - свободным. Проводники А и В называются термоэлектродами. Термоэлектрический эффект объясняется наличием в металле свободных электронов, число которых в единице объёма различно для разных металлов. Педположим, что в спае с температурой t электроны из металла А диффундируют в металл В в большем количестве, чем в обратном направлении; поэтому металл А заряжается положительно, а металл В - отрицательно. Электрическое поле, возникающее в месте соприкосновении проводников, препятствует этой диффузии, и когда скорость диффузии электронов станет равна скорости их обратного перехода под влиянием установившегося электрического поля, наступает состояния подвижного равновесия. при таком состоянии между проводниками А и В возникает некоторая разность потенциалов.

Электронная теория даёт лишь физическое(качественное) объяснение термоэлектрического эффекта. Количественное определение термо- ЭДС на основании этой теории невозможно, так как число свободных электронов, приходящихся, на единицу объёма, не поддаётся количественному учету, и не известен закон их изменения с изменением температуры.

Поддерживая температуру одного из спаев постоянной, например, полагая t₀ = const, получим

Е_АВ(tt₀) = f (t).

Если для данного термоэлектрического преобразователя эксперементально, т.е. путём градуировки, найденна данная зависимость, то измерение температуры сводиться к определению термо-ЭДС термометра.

Для включения измерительного прибора необходимо разорвать электрическую цепь. Разрыв можно произвести в спае с температурой t₀ или в одном из термоэлектродов.

Термо-ЭДС термоэлектрического термометра не изменяется от введения в его цепь третьего проводника, если концы этого проводника имеют одинаковые температуры. Практически это означает, что в цепь термоэлектрического преобразователя можно включать соединительные провода и измерительные приборы.

Термоэлектрический преобразователь градуируют при определенной постоянной температуре t₀ (обычно при t₀ = 0⁰C, реже при t₀ =20⁰C).

Принято 6 типов технических ТЭП с металлическими термоэлектродами.

Платинородий (90% Pt + 10% Rh) - платиновые ТЭП (тип ТПП). В зависимости от назначения эт преобразователи подразделяются на эталонные, образцовые и рабочие.

При правильной эксплуатации они сохраняют постоянство своей градуировки в течение весьма длительного времени. К недостаткам ТЭП этого типа следует отнести малую развиваемую термо-ЭДС по сравнению с другими ТЭП.

Платинородий (30% родия) - платинородиевый (6% родия) ТЭП (тип ТПР). Особенностью ТЭП является то, что он развивает очень малую термо-ЭДС (0.04 мВ при 120⁰С и 0,002 мВ при 20⁰С), что не требует введения поправки на температуру свободных концов.

Хромель - алюмелевый (94% Ni +2% Al +2.5%Mn+ 1% Si + 0.5% примеси) ТЭП (тип ТХА) применяют для измерения температур до 1300⁰С.

Хромель-копелевый (56% Сu +44% Ni) TЭП (тип ТХК) из всех стандартных ТЭП развивает наибольшую термо-ЭДС, что позволяет изготовлять термоэлектрические термометры с узкой температурной шкалой, например с диапазоном 0 --300⁰С.

Вольфрам-рений (5% рения) - вольфрам-рениевый (20% рения) (тип ТВР) ТЭП применяют для измерения температур до 2300⁰С в нейтральной и восстановительной средах, а также в вакууме. Указанные ТЭП используют для измерения температуры расплавленных металлов.

В термоэлектрогенераторах, термоэлектрохолодильниках, различных измерительных приборах применяют также полупроводниковые ТЭП с термо-ЭДС, в 5- 10 раз большей термо-ЭДС обычных ТЭП из металлов и металлических сплавов. В качестве термоэлектродных материалов в этих ТЭП применяют сплавы ZnSb и CdSb.

5. Термометры сопротивления

Измерение температуры термометрами сопротивления основано на свойстве проводников и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление при изменении их температуры. Таким образом, омическое сопротивление проводника или полупроводника представляет некоторую функцию его температуры R = f(t). Вид этой функции зависит от природы материала.

Для изготовления чувствительных элементов серийных термометров сопротивления применяют чистые металлы. К металлам предъявляют следующие основные требования.

Металл не должен окисляться и вступать в химическое взаимодействие с измеряемой средой, должен обладать высокой воспроизводимостью значений электрического сопротивления в интерввале рабочих температур.

Температурный коэффициент электрического сопротивления металла =1/RdR/dt должен быть достаточно большим и неизменным. Этот коэффициент принято определять соотношением _0…100 = (R₁₀₀ - R₀)/100R₀, где R₀ и R₁₀₀ - сопротивление образца данного материала при температуре соответственно 0 и 100⁰С. для большинства чистых металлов 410^-3 1/⁰С.

Сопротивление должно изменяться с изменением температуры по прямой или плавной кривой без резких отклонений и явлений гистерезиса.

Удельное электрическое сопротивление металла должно быть достаточно большим: чем больше удельное сопротивление, тем меньше нужно металла для получения требуемого первоначального сопротивления термометра.

Указанным требованиям в определенных температурных пределах наиболее плотно отвечают Pt, Cu, Ni, Fe.

Платина. Удельное электрическое сопротивление платины = 0,1 Оммм²/м, а температурный коэффициент электрического сопротивления в диапазоне температур от 0 до 100⁰С = 3,910^-3 1/⁰С.

Изменение сопротивления платины выражается уравнениями:

в диапазоне температур от 0 до +650⁰С

R_t = R₀(1+at+bt²), (1)

в диапазоне температур от -200 до 0⁰С

R_t = R₀[1+at+bt²+c(t-100)t³], (2)

где R_t и R₀ - сопротивление платины при температуре соответственно t и 0⁰С; a, b, c - постоянные коэффициенты, значение которых определяют при градуировке термометра по точкам кипения кислорода, воды и серы (a = 3,9684710^-3 1/⁰С; b = -5,84710^-7 1/(⁰С)²; c = -4,2210^-12 1/(⁰С)⁴).

Для платины, применяемой для изготовления технических термометров, R₁₀₀/R₀ = 1,391.

Из уравнений (1) и (2) видно, что характеристики платиновых термометров сопротивления нелинейны, однако отклонение от линейной характеристики не превышает 5% в интервале температур от 0 до 500⁰С и 19% в интервале температур от -200 до 0⁰С.

Медь. К преимуществам меди следует отнести низкую стоимость, легкость получения ее в чистом виде, сравнительно высокий температурный коэффициент электрического сопротивления =4,26 10^-3 1/⁰С и линейную зависимость сопротивления от температуры R_t = R₀(1+t).

К недостаткам меди относятся малое удельное сопротивление = 0,017 Оммм²/м и легкая окисляемость при температуре выше 100⁰С. Для меди, применяемой при изготовлении термометров отношение R₁₀₀/R₀ = 1,426.

Никель и железо. Эти металлы обладают сравнительно высоким температурным коэффициентом электрического сопротивления: _Ni = (6,21…6,34)10^-3 1/⁰С, _Fe = (6,25…6,57)10^-3 1/⁰С и относительно большим удельным сопротивлением: _Ni = (0,118…0,138) Оммм²/м; _Fe = (0,055…0,061) Оммм²/м.

Однако этим металлам присущи и недостатки: никель и железо трудно получить в чистом виде, что усложняет изготовление взаимозаменяемых термометров сопротивления; зависимости сопротивления железа и никеля от температуры выражаются кривыми, которые не могут быть записаны в виде простых эмпирических формул; никель и железо легко окисляются даже при сравнительно низких температурах. Эти недостатки ограничивают применение никеля и железа для изготовления термометров сопротивления.

Рисунок. Чувствительный элемент платинового термометра отечественного производства: 1 двух соединенных последовательно платиновых спиралей; 2 платиновые или иридиево-родиевые выводы; 3 глазурь на основе окиси алюминия и кремния; 4 каналы керамического каркаса.

Пространство между платиновыми спиралями и стенками каналов каркаса заполнено порошком окиси алюминия, который служит изолятором и улучшает тепловой контакт между спиралями и каркасом.

Для подгонки сопротивления при 0⁰С изменяют длину нижних концов платиновых спиралей с последующей пайкой 5.

Условное обозначение градуировки термометров ТСП: гр 20, гр 21 и гр 22. Для термометров с указанной градуировкой сопротивление R₀ составляет соответственно 10, 40 и 100 Ом.

Термометры сопротивления ТСМ выпускают с сопротивлением R₀=53 Ом (градуировка гр 23) и R₀=100 Ом (градуировка гр 24). Для измерения низких температур (до -260⁰С) созданы также платиновые термометры сопротивления, защитную гильзу которых заполняют гелием.

Для изготовления термометров сопротивления применяют также полупроводники (окислы некоторых металлов). Существенным преимуществом полупроводников является большой температурный коэффициент электрического сопротивления (от 310^-2 до 410^-2 1/⁰С). вследствие большого удельного электрического сопротивления полупроводников из них можно изготовлять термометры малых размеров с большим начальным сопротивлением, что позволяет не учитывать сопротивление соединительных проводов и других элементов электрической измерительной схемы термометра.

В узком температурном интервале зависимость электрического сопротивления полупроводникового резистора от температуры выражается уравнением

R = A exp (B/T)

или

ln R = ln A + B/T,

где А и В - постоянные коэффициенты, зависящие от физических свойств материала (полупроводника); Т - абсолютная температура терморезистора.

термометр пирометр спектральный излучение



Рис. 2

Рис 3.

Для изготовления полупроводниковых терморезисторов применяют окислы титана, магния, железа, марганца, кобальта, никеля, меди или кристаллы некоторых металлов (например, кремния, германия) с различными примесями. Для измерения температуры наиболее часто используют полупроводниковые резисторы типов ММТ-1, ММТ-4, КМТ-1 и КМТ-4, у которых в рабочих интервалах температур сопротивление меняется по экспоненциальному закону.

Основным препятствием, ограничивающим широкое внедрение полупроводниковых резисторов в промышленность, является плохая воспроизводимость их параметров, что исключает их взаимозаменяемость, а также сравнительно невысокая максимальная рабочая температура (от -60 до +180⁰С).

На рисунке 2 показан стержневой терморезистор, представляющий собой цилиндр 1 с контактными колпачками 2, к которым припаяны выводы 3, цилиндр покрыт эмалевой краской и обмотан металлической фольгой 4. Снаружи терморезистор защищен металлическим чехлом 5, у которого в верхней части имеет стеклянный изолятор 6.

Полупроводниковый элемент 1 бусинкового терморезистора (рис. 3) имеет форму шарика диаметром 0,5 мм, защищенного стеклянной оболочкой 4. В шарик вмонтированы электроды 2 из платиновой проволоки диаметром 0,05 мм, соединенные с никелевыми выводами 3.

6. Измерительные приборы термометров сопротивления. Уравновешенные мосты

Принципиальная схема уравновешенного моста постоянного тока с термометром сопротивления приведена на рисунке 4. Мост состоит из резисторов R1 и R3 с постоянными и равными сопротивлениями переменного резистора R2 и термометра R_t. К сопротивлению термометра присоединяются сопротивления 2R_пр двух соединительных проводов. В одной диагонали моста включен источник постоянного тока, в другую - нуль-прибор НП.

При равновесии моста, которое достигается перемещением движка по резистору R2, сила тока в диагоналях моста I₀ = 0. В этом случае потенциалы на вершинах моста b и d равны, ток от источника питания разветвляется на две ветви I₁ и I₃, падение напряжения на резисторах R1 и R3 одинаковое, т.е.

R₁I₁ = R₃I₃, (1)

здесь и далее R_i - сопротивление резистора, где i = 1,2,..

Падение напряжения на плечах моста bc и cd также одинаковое, т.е.

R₂I₂ = (R_t + 2R_пр)I_t. (2)

Разделив равенство (1) на (2), получим

. (3)

При I₀ = 0, I₁ = I₂ и I₃ = I_t уравнение (3) примет вид

R₁(R_t + 2R_пр) = R₂R₃

Тогда

.

Если считать, что температура окружающей среды не изменяется, то 2R_пр будет постоянным. Тогда уравнение (1) примет вид

R_t = R₂k - R₁.

При изменении сопротивления R_t мост можно уравновесить изменением сопротивления КПР R2.

В случае, когда колебания температуры среды, окружающие соединительные провода, значительны и погрешность при измерении может повысить допустимую величину, применяют трехпроводную систему проводки, которая состоит в том, что одну из вершин моста переносят непосредственно к головке термометра. При таком присоединении сопротивление одного провода R_пр прибавляется к сопротивлению R_t, а сопротивление второго провода - к сопротивлению КПР R2.

Уравнение равновесия моста принимает вид

R_t+R_пр=(R₂+R_пр)R₃/R₁

При изменении сопротивления проводов

R_t+R'_пр=(R₂+R'_пр)R₃/R₁

В случае симметричного моста, когда R₁=R₃, получим

R_t+R'_пр=R₂+R'_пр,

т.е. изменение сопротивлений соединительных проводов не влияет на результаты измерения.

В автоматических уравновешенных мостах движок КПР перемещается автоматически, а не в ручную.

7. Пирометры излучения

Принцип действия пирометров излучения основан на использовании теплового излучения нагретых тел.

По сравнению с приборами, основанными на других методах измерения температуры, пирометры излучения имеют следующие преимущества:

измерение основано на бесконтактном способе, следовательно отсутствует искажение температурного поля, вызванное введением преобразовательного элемента прибора в измеряемую среду;

верхний предел измерения температуры, теоретически не ограничен;

имеется возможность измерения температур пламени и высоких температур газовых потоков при больших скоростях, когда трудно использовать другие методы.

Лучистая энергия выделяется нагретым телом в виде волн различной длины. При сравнительно низких температурах (до 500⁰С) нагретое тело испускает инфракрасные лучи, не воспринимаемые человеческим глазом. По мере повышения температуры цвет тела меняется от темно-красного до белого, содержащего волны всех воспринимаемых глазом длин. Одновременно с повышением температуры нагретого тела и изменением его цвета быстро возрастает спектральная энергетическая яркость (СЭЯ), т.е. излучение определенной длины волны (яркости), а также заметно увеличивается суммарная (интегральная) излучение. Указанные свойства нагретых тел используют для измерения их температуры и в соответствии с этими свойствами пирометры излучения делятся на квазимонохроматические, спектрального отношения и полного излучения.

Теоретически можно обосновать лишь явления лучеиспускания абсолютно черного тела (коэффициент лучеиспускания этого тела принимают равным единице). Все реальные физические тела обладают способностью отражать часть падающих на них лучей. Коэффициент лучеиспускания реальных тел меньше 1, причем он зависит как от природы данного тела, так и о состояния его поверхности.

В природе нет абсолютно черных тел, но есть тела, близкие к абсолютно черному телу. Так, тело, покрытое черной шероховатой краской (нефтяной сажей), поглощает до 96% всей лучистой энергии.

Шкалы пирометров градуируют по излучению абсолютно черного тела.

Возрастание СЭЯ с повышением температуры различно для волн разных длин и в области сравнительно невысоких температур для абсолютно черного тела описывается уравнением Вина:

,

Размещено на http://www.allbest.ru/

где - СЭЯ абсолютно черного тела для волны длинной ; Т - абсолютная температура тела, К; С₁ и С₂ - константы излучения, числовые значения которых зависят от принятой системы единиц; С₁ = 2hc² (h - постоянная Планка, с - скорость света), С₂ = Nhc/R (N - постоянная Авогадро; R - универсальная газовая постоянная).

Поскольку СЭЯ не одинаково для различных длин волн, уравнение Вина применяют в яркостной пирометрии для волны определенной длины (обычно для красного цвета длиной волны 0,65 или 0,66 мкм).

Уравнением Вина можно пользоваться от температуры примерно 3000 К. При более высоких температурах СЭЯ абсолютно черного тела описывается уравнением Планка:

.

При повышении температуры абсолютно черного тела область спектра, обладающая максимальной энергией, смещается в направлении малых длин волн. Это явление приводит к постепенному изменению цвета тела и возрастанию его яркости по мере повышения температуры. Количество энергии, излучаемой абсолютно черным телом, характеризуется площадью, заключенной между осью абсцисс и кривой распределения энергии по спектру.

Спектральное распределение энергии излучения происходит согласно закону смещения Вина: _maxТ=b, где _max - длина волны, соответствующая максимальному излучению при данной температуре Т; b = 2896 мкмК - постоянная. Закон смещения Вина, получаемый дифференциированием уравнения Вина по и преравниванием производной нулю, применимы для физических тел.

Пользуясь законом смещения Вина, по положению максимума можно определить абсолютную температуру тела. Этот метод использован в пирометрах спектрального отношения (цветовые).

Под цветовой температурой понимают температуру абсолютно черного тела, при которой отношение энергетических яркостей при двух длинах волн равно отношению соответствующих энергетических яркостей физического тела. Пусть Е_01(Тц) и Е_02(Тц) энергетическая яркость абсолютно черного тела при температуре Т_ц для длин волн соответственно ₁ и ₂, а Е_1(Т) и Е_2(Т) энергетическая яркость реального тела при истиной температуре Т для длин волн соответственно ₁ и ₂. Тогда согласно определению цветовой температуры должно соблюдаться равенство

Интегральное излучение абсолютно черного тела описывается уравнением Стефана-Больцмана:

,

где С₀ - константа излучение абсолютно черного тела; Т - абсолютная температура излучающей поверхности, К.

Реальные физические тела излучают энергию менее интенсивно, чем абсолютно черное тело. В результате измерения пирометрами квазимонохроматическими и полного излучения получают так называемую условную температуру.

Интегральное излучение реального тела, нагретого до температуры Т:

Е = С₀(Т/100)⁴ (1),

где = Е/Е₀ - степень черноты тела для всех длин волн.

Интегральное излучение абсолютно черного тела при совпадении его температуры Т_у:

Е₀ = С₀(Т_у/100)⁴ (2).

Сравнив правые части уравнений (1) и (2) с учетом, что Е = Е₀, получим формулу для определения действительной температуры реального тела

,

где Т_у - условная температура, измеренная пирометром полного излучения.

Для всех реальных физических тел 0<<1, поэтому температура тела, измеренная пирометром излучения, всегда меньше его истинной температуры.

8. Квазимонохроматические пирометры

Принцип действия квазимонохроматических пирометров основан на сравнении яркости монохроматического излучения двух тел: эталонного тела и тела, температуру которого измеряют. В качестве эталонного тела обычно используют нить лампы накаливания, яркость излучения которой регулируют.

Наиболее распространенным прибором этой группы является квазимонохроматический пирометр с исчезающей нитью.

Пирометр представляет собой телескопическую трубку с линзой 1 объектива и линзой 2 окуляра. Внутри телескопической трубки в фокусе линзы объектива находиться лампа накаливания 3 с подковообразной нитью. Лампа питается от источника тока 7 через реостат 8. В цепь питания лампы включен милливольтметр 6, конструктивно объединенный с трубкой телескопа. Шкала милливольтметра отградуирована в градусах температуры. Для получения монохроматического света окуляр снабжен красным светофильтром 5, пропускающим только лучи определенной длины волны. В объективе находиться серый поглощающий светофильтр 2, служащий для расширения пределов измерения.

При подготовке оптической системы в трубку наводят на тело и передвигают объектив для получения четкого изображения тела и нити лампы. Включив источник тока, реостатом подбирают яркость нити до тех пор, пока средняя часть ее не сольется с освещенным телом. В этот момент по шкале милливольтметра отсчитывают температуру тела. В соответствии с этим милливольтметр снабжают двумя шкалами: верхней - для измерения температур от 100 до 1400⁰С с выведенным серым светофильтром и нижней - для температур выше 1300⁰С с введенным серым светофильтром.

Приборостроительная промышленность выпускает переносные пирометры с исчезающей нитью в различном конструктивном оформлении для температур от 800⁰С до нескольких тысяч. Пирометры работают с эффективной длинной волны 0,65 или 0,66 мкм.

9. Пирометры спектрального отношения

В цветовых пирометрах, применяемых для промышленных измерений, определяется соотношение СЭЯ реального тела в лучах для заранее выбранных длин волн. Большая часть конструкции цветовых пирометров основана на определении цвета измеряемого по отношению энергетических яркостей для двух длин волн, очень близких одна к другой в видимой части спектра.

Чтобы избежать зависимостей результатов измерения от субъективных особенностей наблюдателя, в цветовых пирометрах для измерения отношения энергетических яркостей используют фотоэлементы. Фотоэлемент подключен к электронному блоку, который обеспечивает сравнение применяемой энергетической яркости для данных длин волн.

Диапазон измерений данного пирометра Т = 1400 -2500⁰С с погрешностью измерения 1%.

10. Пирометры полного излучения

Пирометры полного излучения измеряют температуру по мощности излучения нагретого тела. Пирометр снабжен оптической системой, собирающей испускаемые нагретым телом лучи на каком-либо теплоприемники. Теплоприемник обычно состоит из миниатюрной термоэлектрической батареи (ТЭП), термометра сопротивления или полупроводникового терморезистора. В качестве измерительных приборов применяют милливольтметры, автоматические потенциометры и уравновешенные мосты.

Пирометр состоит из телескопа с линзой 1 объектива и линзой 2 окуляра. 3 - диафрагма, в фокусе линзы объектива установлена термоэлектрическая батарея 4. Рабочие спаи ТЭП прикреплены к крестообразной пластинке из платиновой фольги, покрытой платиновой чернью для лучшего поглощения падающих лучей. Свободные концы ТЭП термометров укреплены на слюдяной пластинке, а соединительные провода выведены к клеммам, находящимся в корпусе телескопа. Перед окулярной линзой помещено цветное стекло 5 для защиты глаз при установке пирометра. Диапазон измерений температуры такого пирометра от 100 до 4000⁰С.

Размещено на Allbest.ru

...