Меню

Измерение температуры движущихся тел



Методы и приборы для измерения температуры

Что такое температура

Измерение температуры — предмет теоретической и экспериментальной дисциплины — термометрии, часть которой, охватывающая температуры свыше 500° С, называется пирометрией.

Наиболее общее строгое определение понятия температуры, следующее из второго начала термодинамики, формулируется выражением:

где Т — абсолютная температура изолированной термодинамической системы, d Q — приращение тепла, сообщаемого этой системе, и d S — приращение энтропии этой системы.

Приведенное выражение интерпретируется следующим образом: температура есть мера приращения тепла, сообщенного изолированной термодинамической системе и соответствующего приращению энтропии системы, происходящему при этом, или, иначе говоря, возрастанию неупорядоченности ее состояния.

В статистической механике, описывающей фазы системы с учетом микропроцессов, протекающих в макросистемах, понятие температуры определяется через выражение распределения частиц молекулярной системы между рядом невырожденных энергетических уровней (распределения Гиббса).

Такое определение (согласующееся с предыдущим) подчеркивает вероятностный, статистический аспект понятия температуры как основного параметра микрофизической формы передачи энергии от одного тела (или системы) к другому, т. е. хаотического теплового движения.

Малая наглядность строгих определений понятия температуры, справедливых к тому же только для термодинамически равновесных систем, привела к широкому распространению «утилитарного» определения, исходящего из существа явления передачи энергии: температура — это тепловое состояние тела или системы, характеризующееся его способностью обмениваться теплом с другим телом (или системой).

Эта формулировка применима и к термодинамически неравновесным системам, и (с оговорками) к психофизиологическому понятию «сенсорной» температуры, непосредственно воспринимаемой человеком с помощью органов термического осязания.

«Сенсорная» температуpa субъективно оценивается человеком непосредственно, но лишь качественно и в относительно узком интервале, физическая же температуpa измеряется количественно и объективно, с помощью измерит, приборов, но только косвенно — по значению какой-либо физической величины, зависящей от измеряемой температуры.

Поэтому в последнем случае устанавливают какое-либо опорное (реперное) состояние выбранной для этой цели температурозависимой физической величины и приписывают ему некоторое определенное числовое значение температуры с тем, чтобы любое изменение состояния выбранной физической величины относительно опорного могло быть выражено в единицах температуры.

Совокупность значений температуры, соответствующих ряду последовательных изменений состояния (т. е. ряду значений) выбранной температурозависимой величины, образует температурную шкалу. Наиболее распространенные температурные шкалы: Цельсия, Фаренгейта, Реомюра, Кельвина и Ранкина.

Температурные шкалы Кельвина и Цельсия

Основной единицей измерения термодинамической температуры и одновременно одной из основных единиц Международной системы единиц (СИ) является градус Кельвина.

Размер (температурный промежуток) 1 градуса Кельвина определяется тем, что значение термодинамической температуры тройной точки воды установлено равным в точности 273,16°К.

Эта температура, при которой вода равновесно сосуществует в трех фазах: твердой, жидкой и газообразной, принята в качестве основного репера вследствие ее высокой воспроизводимости, на целый порядок лучшей, чем воспроизводимость температур замерзания и кипения воды.

Градус Цельсия, в единицах которого также может быть выражена термодинамическая температура, по своему температурному промежутку в точности равен градусу Кельвина, но числовое значение любой температуры в градусах Цельсия на 273,15 градусов больше значения той же температуры в градусах Кельвина.

Размер 1 градуса Кельвина (или 1 градуса Цельсия), определенный из числового значения температуры тройной точки воды, при современных точностях измерения не отличается от его размера, определенного (что было принято ранее) как сотая доля температурного промежутка между точками замерзания и кипения воды.

Классификация методов и приборов для измерения температуры

Измерение температуры тела или среды может быть осуществлено двумя принципиально различными косвенными путями.

Первый путь ведет к измерению значений одного из температурозависимых свойств или параметров состояния непосредственно самого тела или среды, второй — к измерению значений температурозависимых свойств или параметров состояния вспомогательного тела, приведенного (прямо или косвенно) в состояние теплового равновесия с телом или средой, температуpa которых измеряется.

Вспомогательное тело, служащее для этих целей и являющееся датчиком комплектного прибора для измерения температуры, называется термометрическим (пирометрическим) зондом, или термоприемником. Поэтому все методы и приборы для измерения температуры разделяются на две принципиально различные группы: беззондовые и зондовые.

Термоприемник или какое-либо вспомогательное устройство прибора может быть приведено в прямое механическое соприкосновение с телом или средой, температура которых измеряется, или же между ними может осуществляться лишь «оптический» контакт.

В зависимости от этого все методы и приборы для измерения температуры делятся на контактные и бесконтактные. Наибольшее практическое значение имеют зондовые контактные и бесконтактные методы и приборы.

Читайте также:  Смарт браслеты с функцией измерения артериального давления

Погрешности при измерении температуры

Всем контактным, в первую очередь зондовым, методам измерения температуры, в отличие от других методов, свойственны т. н. тепловые или термические методические погрешности, обусловленные тем, что комплектный зондовый термометр (или пирометр) измеряет значение температуры только чувствительной части термоприемника, усредненное по поверхности или объему этой части.

Между тем эта температура, как правило, не совпадает с измеряемой потому, что термоприемник неизбежно искажает температурное поле, в которое его вносят. При измерении установившейся постоянной температуры тела или среды между ним и термоприемником устанавливается определенный режим теплообмена.

Постоянная разность температур термоприемника и измеряемой температуры тела или среды характеризует статическую термическую погрешность при измерении температуры.

Если измеряемая температуpa изменяется, то термическая погрешность оказывается функцией времени. Такую динамическую погрешность можно рассматривать как состоящую из постоянной части, эквивалентной статической погрешности, и переменной части.

Последняя возникает потому, что при всяком изменении теплообмена между телом или средой, температура которых измеряется, новый режим теплообмена устанавливается не сразу. Обусловленное отставанием искажение показаний термометра или пирометра, являющееся функцией времени, характеризуется тепловой инерцией термоприемника.

Тепловые погрешности и тепловая инерция термоприемника зависят от тех же факторов, что и теплообмен между телом или средой и термоприемником: от температур термоприемника и тела или среды, от их размеров, состава (а значит и свойств) и состояния, от конструкции, размеров, геометрической формы, состояния поверхности и свойств материалов термоприемника и окружающих его тел, от их взаиморасположения, от того, по какому закону изменяются во времени измеряемая температура тела или среды.

Тепловые методические погрешности при измерении температуры, как правило, в несколько раз превосходят инструментальные погрешности термометров и пирометров. Их снижение достигается применением рациональных методик измерения температуры и конструкций термоприемников и целесообразным монтажом последних на местах применения.

Улучшение теплообмена термоприемника и среды или тела, температура которых измеряется, достигается форсированием полезных и подавлением вредных факторов теплообмена.

Например, при измерении температуры газа в замкнутом объеме увеличивают конвективный теплообмен тероприемника с газом, создавая искусств, быстрое обтекание газом термоприемника («отсосная» термопара), и снижают лучистый теплообмен со стенками объема, экранируя термоприемник («экранированная» термопара).

Для снижения тепловой инерции в термометрах и пирометрах с электрическим выходным сигналом применяют также специальные схемы, искусственно сокращающие время нарастания сигнала при быстром изменении измеряемой температуры.

Бесконтактные методы измерения температуры

Возможность применения контактных методов при измерениях определяется не только искажением контактным термоприемником измеряемой температуры, но также реальными физическими и химическими характеристиками материалов термоприемника (коррозионной и механической стойкостью, жаропрочностью и т. д.).

Бесконтактные методы измерения свободны от этих ограничений. Однако важнейшим из них, т.е. основанным на законах температурного излучения, присущи особые погрешности, обусловленные тем, что используемые законы в точности справедливы лишь для абсолютно черного излучателя, от которого по свойствам излучения более или менее значительно отличаются все реальные физические излучатели (тела и среды).

В соответствии с законами излучения Кирхгофа любое физическое тело излучает энергии меньше, чем черное тело, нагретое до той же температуры, что и физическое.

Поэтому прибор для измерения температуру, отградуированный по черному излучателю, при измерении температуры реального физического излучателя покажет температуру, меньшую действительной, а именно такую, при которой свойство черного излучателя, использованное при градуировании (энергия излучения, его яркость, его спектральный состав и т. п.), совпадает по своему значению со свойством физического излучателя при данной действительной его температуре, подлежащей определению. Измеренная заниженная псевдотемпература называется черной температурой.

Различные методы измерения приводят к различным, как правило, не совпадающим черным температурам: пирометр радиационный показывает интегральную или радиационную, пирометр оптический — яркостную, пирометр цветовой — цветовую черные температуры.

Переход от измеренных черных к действительным температурам осуществляется графически или аналитически, если известна излучательная способность объекта, температуpa которого измеряется.

Излучательной способностью называется отношение значений используемого для измерения свойства излучения физического и черного излучателей, имеющих одинаковую температуру: при радиационном методе излучательная способность равна отношению суммарных (по всему спектру) энергий, при оптическом — спектральная излучательная способность равна отношению спектральных плотностей энергетической яркости. При прочих равных условиях наименьшие погрешности от нечерноты излучателя дает пирометр цветовой.

Читайте также:  Как измерить брусок линейкой

Радикальное решение задачи измерения лучистыми методами действительной температуры нечерного излучателя достигается искусств, созданием для него условий, превращающих его в черный излучатель (например, помещением его в практически замкнутую полость).

В некоторых частных случаях возможно измерение действительной температуры нечерных излучателей обычными пирометрами излучения при применении особых методик измерения температуры (например, подсветки, в лучах трех длин волн, в поляризованном свете и др.).

Распространенные приборы для измерения температуры

Громадный диапазон значений измеряемых температур и неисчерпаемое количество различных условий и объектов измерения обусловливают чрезвычайное разнообразие и многочисленность методов и приборов для измерения температуры.

Самые распространенные приборы для измерения температуры:

  • Термоэлектрические пирометры (термометры) ;
  • Электрические термометры сопротивления ;
  • Радиационные пирометры ;
  • Пирометры оптического поглощения ;
  • Оптические яркостные пирометры ;
  • Цветовые пирометры ;
  • Жидкостные термометры расширения ;
  • Газовые манометрические термометры ;
  • Паровые манометрические термометры ;
  • Газовые конденсационные термометры ;
  • Стержневые дилатометрические термометры ;
  • Биметаллические термометры ;
  • Акустические термометры ;
  • Калориметрические пирометры-пироскопы ;
  • Термокраски ;
  • Парамагнитные солевые термометры .

Самые популярные электрические приборы для измерения температуры:

Приборы многих видов, перечисленные выше, используются для измерений различными методами. Например, термоэлектрический термометр используется:

  • для контактного измерения температуры сред и тел, а также поверхностей последних без или в сочетании с устройствами, корректирующими тепловое неравновесие термоприемника и объекта измерения;
  • для бесконтактного измерения температуры радиационным и некоторыми спектроскопическими методами ;
  • для смешанного (контактно-бесконтактного) — измерение температуры жидкого металла по методу газовой каверны (измерение радиационным пирометром температуры излучения газового пузыря, выдуваемого в жидком металле на конце погруженной в него трубки).

Вместе с тем многие методы измерения температуры могут быть реализованы приборами различных видов.

Так, например, температуpa наружного и комнатного воздуха может быть измерена приборами по меньшей мере 15 видов. На фотографии — биметаллический термометр.

Самый большой в мире термометр в Бейкере, Калифорния

Применение приборов для измерения температуры:

Источник

Устройство для бесконтактного измерения температуры движущихся тел

Номер патента: 1696898

Текст

(5 ц 5 0 0 20 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(71) Институт технической теплофизики АН УССР(56) Линевег ф, Измерение температур в технике. Справочник, — М.; Металлургия, 1980, с 328.Вейс М. Инфракрасный прибор для регулирования температуры, не зависящий от величины коэффициента, черноты излучения и температуры окружающей среды./В сб.; Измерение нестационарных температур и тепловых потоков. — М,; Мир. 1966, с, 200-215. Изобретение относится к измерительной технике, а именно к бесконтактному измерению температуры движущихся тел (например, вращающихся барабанов, валов и др.), и может быть использовано в текстильной, строительной, химической и других отраслях промышленности,Целью изобретения является повышение точности измерения температуры за счет устранения искажений, вносимых конвективным теплообменом с промежуточной средой,На фиг. 1 изображено тело сравнения, размещенное напротив объекта; на фиг. 2 — блок-схема устройства; на фиг. 3 — термоэлектрический модуль; на фиг. 4 — разрез ЯО 1696898 А 1(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ДВИЖУЩИХСЯ ТЕЛ(57) Изобретение относится к измерительной технике, а именно к бесконтактному измерению температуры движущихся тел, Цель изобретения — повышение точности измерения за счет устранения искажений, вносимых конвективным теплообменом с промежуточной средой, Цель достигается тем, что устройство содержит терморегулируемое тело сравнения с профилем, соответствующим профилю поверхности движущегося тела. Тело сравнения содержит термоэлектрический модуль в виде пластины с системой параллельных разрезов. Пластина содержит чередующиеся зеркальные и зэчерненные участки. Отношение обращенной в сторону термометрируемого тела поверхности пластины к сечению максимального зазора по периметру пластины составляет не менее 5;1, 5 ил. на фиг. 3; на фиг, 5 — .разрез Б — Б на фиг 3.Устройство содержит терморегулируемое тело сравнения, выполненное из высокотеплопроводного материала в форме пластины 1 (фиг, 1), В пластине вмонтированы электрический нагреватель 2 и термочувствительный элемент датчика 3 температуры. В контакте с телом сравнения размещен термоэлектрический модуль 4 заподлицо с обращенной к термометрируемому объекту 5 полированной поверхностью пластины 1. Потенциальные выходы модуля 4 подсоединены к терморегулятору 6 (фиг. 2), Последний управляет нагревом тела сравнения и включением регистрирующего прибора 7, 16968985 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 который связан с датчиком 3 температуры, Термоэлектрический модуль 4 совмещает функции включенных встречно двух датчиков теплового потока,Модуль представляет собой термоэлектрически-анизотропный преобразователь теплового потока, содержащий анизотропную пластину с системой параллельных разрезов, образующих четное число последовательно соединенных ветвей 8 и 9 меандра (фиг, 3), в которых тензор максимальной анизотропии коэффициента термоЭДС ориентирован под углом 45 к поверхности пластины и продольному направлению ветвей меандра, причем обращенная к йромежуточной среде поверхность ветвей в чередующемся порядке выполнена зачерненной и зеркальной. Модуль снабжен токосъемными выводами 10.Устройство работает следующим образом.Размещенный на стенке тела сравнения термоэлектрически-анизотропный модуль 4 (фиг, 2) подвергается воздействию пронизывающих его стенку тепловых потоков, вызывая в каждой черненной и зеркальной ветвях меандра пропорциональные рассеиваемым потокам градиенты температур. Благодаря тому, что преобразователь выполнен в виде термоэлектрически-анизотропной пластины с указанной системой разрезов, а черненные и зеркальные ветви расположены в чередующемся порядке, генерируемые в них поперечные относительно градиента температуры ЭДС направлены вдоль ветвей и попарно вычитаются, а их разности суммируются. Таким образом, снимаемый с токосъемных выводов 10 модуля 4 результирующий сигнал пропорционален разностному радиационно-конвективному потоку, рассеиваемому черненными 8 и зеркальными 9 ветвями (фиг, 3), Принимая по внимание, что тепловые потоки, рассеиваемые в промежуточную среду конвекцией, не зависят от степени черноты ветвей, результирующий сигнал преобразователя практически пропорционален результирующему лучистому потоку между телом сравнения и поверхностью термометрируемого объекта.Генерируемый модулем 4 результирующий электрический сигнал поступает на вход терморегулятора 6, где усиливается и сравнивается с опорным. В зависимости от уровня и знака генерируемого модулем 4 сигнала терморегулятор 6 автоматически меняет ток в цепи нагревателя 2 (фиг. 2), пока выходной сигнал модуля не станет равным нулю, При этом терморегулятор 6 подает сигнал управления на регистрирующий прибор 7 для индикации показания датчика 3 температуры.Исследования показали, что в условиях равенства радиационно-конвективных потоков, рассеиваемых черненным и блестящим датчиками теплового потока, с погрешностью . 0,5 К достигается температурное уравновешивание тела сравнения с термометрируемой поверхностью,В опытах не обнаружено влияние температуры окружающей среды на результаты измерения, что также подтверждает высокую эффективность выделения лучистой составляющей теплообмена в процессе температурного уравновешивания тела сравнения с термометрируемым обьектом, кроме того, исключаются искажения, вносимые в результаты измерения конвективным теплообменом.Таким образом, устройство для бесконтактного измерения температуры движущихся тел может широко применяться в промышленности, так как обеспечиваемая им точность измерения позволяет использовать измерительную информацию для настройки и контроля температурного режима сложного технологического оборудования. оптимизировать его работу, обеспечить выпуск высококачественной продукции, снизить ошибки первого и второго рода при приемке, например, в технологическом процессе производства пленочных носителей информации,Формула изобретения Устройство для бесконтактного измерения температуры движущихся тел, содержащее терморегулируемое тело сравнения в виде высокотеплопроводной .пластины с встроенным электрическим нагревателем и находящимися в контакте с пластиной датчиком теплового потока (ДТП) и датчиком температуры, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения за счет устранения искажений, вносимых конвективным теплообменом с промежуточной средой, пластина выполнена по профилю, соответствующему кривизне термометрируемой поверхности движущегося тела, причем отношение площади обращенной в сторону термометрируемого тела поверхности пластины к сечению максимального зазора по периметру пластины Е/ дП составляет не менее 5;1, где Р — поверхность пластины тела сравнения, обращенная к термометрируемому объекту; д — максимальный зазор между пластиной и термометрируемой поверхностью; П-периметр пластины, при этом в пластину тела сравне 1 бо ЫсИния встроен второй ДТП, оба ДТП установлены в центре пластины заподлицо с поверхностью тела сравнения, поверхность одного ДТП выполнена зеркальной, а поверхность второго ДТП зачернена, причем оба ДТП выполнены равной чувствительности, включены встречно и совмещены в одном термоэлектрическом модуле в виде термоэлектрически анизотропного преобразователя теплового потока в форме пластинысодержащей систему параллельных разрезов, образующих четное число последовательно соединенных ветвей меандра, в которых тензор максимальной (минималь ной) анизотропии коэффициента термоЭДСориентирован под углом 45 к поверхности пластины и продольному направлению ветвей, причем лучевоспринимающая поверхность ветвей выполнена зачерненной и 10 зеркальной в чередующемся порядке.»м кто Заказ 4298 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113 О 35, Москва, Ж-ЗБ, Раушская наб 4/5 Производственно-издательский комбинат «Патент», г, ужгород, ул,Гагарин

Читайте также:  Методика выполнения измерений физических величин

Заявка

ИНСТИТУТ ТЕХНИЧЕСКОЙ ТЕПЛОФИЗИКИ АН УССР

КАРПЕНКО ВАСИЛИЙ ГРИГОРЬЕВИЧ, ПАСЕЧНИК ВЛАДИМИР ЭМАНУИЛОВИЧ, ГУРЬЯНОВ ЛЕОНИД ВИКТОРОВИЧ

Источник