Методы измерения температуры

Рассмотрим следующие методы измерения температуры: объ­емный, манометрический, терморезисторный (метод термосопро­тивлений), термоэлектрический и пирометрический.

1. Объемный метод [14], [15]

Объемный метод измерения температуры основан на тепловом расширении (изменении объема) различных тел. По этому прин­ципу строятся дилатометрические, биметаллические и жидкост­ные термометры.

Дилатометрический термометр (рис. 7.1) состоит из патрона 1 и штока 2, изготовленных из материалов с различ­ными коэффициентами линейного расширения и .

Для повышения чувствительности необходимо применять ма­териалы, у которых и возможно больше отличаются друг от друга, в то же время коэффициент линей­ного расширения материала штока следует выбирать близким к нулю для умень­шения теплового запаздыва­ния, обусловленного тем, что шток прогревается мед­леннее, чем патрон (патрон непосредственно соприка­сается со средой, темпера­тура которой измеряется, а шток отделен от нее воз­душной прослойкой). Исходя из этого шток целесообразно изго­товлять из сплава типа инвар ( =l*10-⁶), a патрон — из мате­риала с большим , например из дуралюмина ( = 23-10~⁶).

Ввиду малости перемещения штока (десятые доли мм) ди­латометрический термометр содержит передаточно-множительный механизм, увеличивающий перемещение штока до величины, удобной для отсчета.

Биметаллические термометры (рис. 7.2) так же, как и дилатометрические, основаны на тепловом расширении твердых тел и отличаются лишь способом соединения компонент Теплочувствительный элемент представляет собой биметалличе­скую пластину, состоящую из двух сваренных или сплавленных (реже спаянных) по всей длине пластин с различными коэффи­циентами линейного расширения и . При нагревании биме­таллическая пластина изгибается таким образом, что ее выпук­лость образуется со стороны материала с большим .

Угол изгиба биметаллической пластины определяется фор­мулой [15] ,

где l — длина биметаллической пластины;

h — суммарная толщина биметаллической пластины;

— величина изменения температуры.

Линейное перемещение прямой консольно закрепленной пла­стины

,

где - чувствительность.

В авиационных приборах применяют биметаллические пла­стины, состоящие из стали ( = 19 • 10^-6) и инвара ( =1 • 10^-6).

По сравнению с дилатометрическим элементом биметалличе­ский элемент дает большее перемещение при меньших габаритах, что позволяет уменьшить передаточное отношение механизма.

При выполнении биметаллического чувствительного элемента в виде спиральной или винтовой пластины (см. рис. 7.2,6, в), один конец которой закреплен неподвижно, а другой — связан с выходной осью, можно получить большой угол поворота вы­ходной оси (до 360°), что позволяет поместить указывающую стрелку непосредственно на эту ось и исключить из конструк­ции термометра передаточно-множительный механизм.

Биметаллические термометры подобного рода применяются для измерения температуры окружающей среды (см. рис. 7.2, г).

Жидкостные термометры действуют на основе тепло­вого изменения объема жидкостей.

Схемы двух вариантов жидкостных термометров показаны на рис. 7.3.

Жидкостный термометр (см. рис. 7.3, а) состоит из цилиндри­ческого баллона 1, внутрь которого впаян сильфон 2. Свободный конец сильфона связан со штоком 3, выпущенным наружу бал­лона, а пространство между стенками сильфона и баллона за­полнено жидкостью. Баллон помещается в среду, температура

которой измеряется. Объем жидкости зависит от температуры следующим образом:

,

где - начальный объем жидкости при 0⁰С,

- коэффициент объемного расширения жидкости,

- температура в ⁰С.

Значения для некоторых жидкостей приведены в таблице 7.1.

Линейное перемещение конца штока при нагревании элемента от 0⁰С до температуры С определяется выражением

,

где F- эффективная площадь сильфона.

Увеличение жесткости сильфона приводит к увеличению дав­ления внутри системы, что, однако, не влияет на величину s ра­бочего хода. Вследствие практической несжимаемости жидкости величина s определяется приращением объема жидкости и эф­фективной площадью сильфона. В то же время увеличение жест­кости сильфона позволяет повысить верхний предел измерения, так как температура кипения жидкости увеличивается с увеличе­нием давления.

Жидкостный термометр дистанционного типа (см. рис. 7.3, б) состоит из заполненного жидкостью баллона, погруженного в сре­ду, температура которой измеряется, и соединенного капиллярной трубкой с упругим чувствительным элементом (сильфоном, мано­метрической коробкой или трубчатой пружиной), перемещение которого через передаточно-множительный механизм передается на указывающую стрелку. Показания дистанционного жидкост­ного термометра подвержены влиянию температуры воздуха, ок­ружающего соединительную трубку и указатель. Погрешность пропорциональна объему соединительной трубки и упругого чув­ствительного элемента.

2. Манометрический метод [3], [12]

Манометрический метод измерения температуры основан на тепловом изменении давления газа (пара) внутри замкнутого объема. По этому методу действуют газовые и парожидкостные термометры.

Схемы газовых термометров подобны схемам жидкостных термометров. Различие состоит в том, что внутренняя полость теплочувствительного элемента заполняется вместо жидкости инертным газом.

Вследствие сжимаемости газа действие газового термометра принципиально отличается от действия жидкостного термометра: газовый термометр работает не на принципе расширения рабо­чего тела, а на принципе изменения его давления. В жидкостном термометре рабочий ход сильфона благодаря практической не­сжимаемости жидкости определяется тепловым приращением объема жидкости и эффективной площадью сильфона и не зави­сит от жесткости сильфона, в то время как давление жидкости пропорционально жесткости сильфона. В газовом термометре, наоборот, давление газа почти не зависит от жесткости сильфо­на (если пренебречь изменением его объема по сравнению с на­чальным объемом всей системы), а рабочий ход сильфона обрат­но пропорционален его жесткости.

В газовом термометре, построенном по схеме рис. 73, а, абсо­лютное давление газа (при условии постоянства его объема) равно

,

где - термический коэффициент давления,

р₀ – начальное давление внутри баллона при .

Перемещение центра сильфона

,

где с_ж – коэффициент линейной жесткости сильфона,

р₂ – давление окружающей среды.

В газовом термометре, построенном по схеме, представленной на рис. 7.3, б, возникают погрешности при изменении давления и температуры окружающего воздуха. Для исключения влияния давления окружающей среды можно применить вместо диффе­ренциального манометра манометр абсолютного давления; для уменьшения влияния температуры окружающей среды объемы соединительной трубки и упругого чувствительного элемента должны быть как можно меньшими.

Принципиальная схема парожидкостного термометра также соответствует схеме жидкостного термометра (см. рис. 7.3), но заполняется система специальной жидкостью, кото­рая при нормальном давлении закипает при низкой температуре. К числу таких жидкостей, получивших название низкокипящих, относятся, например, метилхлорид (СН₃С1), закипающий при —24° С (при р = 760 мм рт. ст.) и ацетон (С3Н₆О), закипающий при + 56° С (при р = 760 мм рт. ст.).

При нагревании баллона до некоторой температуры абсолют­ное, давление в системе возрастает до определенной величины р₁, при которой часть жидкости переходит в пар и устанавливается равновесие, при котором дальнейшее испарение жидкости пре­кращается. С уменьшением температуры часть пара конденси­руется, т. е. переходит в жидкое состояние, и давление в системе уменьшается.

Давление p₁ однозначно зависит от ; вид функциональной зависимости определяется только составом жидкости и не связан с формой и геометрическими размерами баллона и упругого чувствительного элемента.

В табл. 7.2 приведены характеристики некоторых низкокипя­щих жидкостей.

Нижний предел измерения ограничен температурой, при ко­торой весь пар переходит в жидкость и зависит от начального давления, при котором заполняется система. Верхний предел из­мерения ограничен критической температурой, выше которой давление резко возрастает и нарушается функциональная связь между р и .

3. Терморезисторный метод (метод термосопротивлений) [4], [9]

Терморезисторный метод измерения температуры основан на тепловом изменении электрического сопротивления проводников или полупроводников.

Верхний предел измеряемых температур зависит от материа­ла терморезистора. Применяются терморезисторы медные (до + 180° С), никелевые (до +300°С) платиновые (до +1250° С) и полупроводниковые (до + 180° С).

Подробнее приборы и датчики температуры, основанные на терморезисторном методе, рассматриваются в § 7.4.

4. Термоэлектрический метод [4], [7]

Термоэлектрический метод измерения температуры основан на возникновении контактного потенциала между двумя контак­тирующими между собой разнородными проводниками (или по­лупроводниками) при разности температур свободных и рабочего концов этих проводников.

Верхний предел измеряемых температур, определяемый глав­ным образом теплостойкостью термоэлектродов, достигает для хромель-копелевых термопар +800° С, платино-платинородиевых + 1600° С, вольфрам-молибденовых до 2400° С и т. д.

Подробнее приборы и датчики температуры, основанные на термоэлектрическом методе, рассматриваются в § 7.5.

5. Оптический метод [6]

Оптический метод измерения температуры основан на зави­симости энергии, излучаемой нагретым телом, от его темпера­туры. Яркость излучения оценивается визуально с помощью оптических устройств или преобразуется в электрический сигнал с помощью чувствительных фотоэлектрических элементов. По­строенные по этому методу приборы называют пирометрами из­лучения. Различают пирометры полного излучения (радиацион­ные), пирометры частичного излучения (яркостные) и пиромет­ры цветовые (спектрального соотношения).

На летательных аппаратах нашли преобладающее примене­ние терморезисторные датчики температуры (термосопротивле­ния) и термоэлектрические датчики (термопары) благодаря сво­ей простоте, стабильности характеристик и возможности преоб­разования температуры непосредственно в электрическую вели­чину '.

Терморезисторы и термопары используются как в качестве воспринимающих устройств систем автоматического регулирова­ния и управления, так и в качестве датчиков электрических ди­станционных термометров.