Меню

Типы принцип действия приборов для измерения температуры



Приборы для измерения температуры (обзор)

Приборы для измерения температуры классифицируются в зависимости от того, какой метод измерения положен в основу их конструкции:
термометры, применяются для измерения температуры контактным методом.
пирометры, применяются для измерения температуры бесконтактным методом.

I. Термометры для измерения температуры контактным методом:

  1. термометры расширения, использующие принцип теплового расширения жидкости (жидкостные) или твердого тела (дилатометрические и биметаллические);
  2. манометрические термометры, использующие зависимость между температурой и давлением газа или паров жидкости в замкнутой термосистеме;
  3. термопреобразователи (термометры) сопротивления, использующие изменения электрического сопротивления металлов от температуры;
  4. термоэлектрические термометры (термопары), использующие зависимость между термо-ЭДС, развиваемой термопарой (горячим спаем) из двух различных проводников, и разностью температур спая и свободных концов термопары.

II. Пирометры для измерения температуры бесконтактным методом:

  1. яркостные пирометры, измеряющие температуру по яркости наколенного тела, то есть оптические и фотоэлектрические пирометры (в них использовано свойство фотоэлемента образовывать под действием ярко наколенного тела фотоэлектрический ток, значение которого пропорционально интенсивности падающего на фотоэлемент светового потока);
  2. радиационные пирометры служат для измерения мощности полного излучения наколенных тел, то есть суммарного теплового и светового излучения, их называют пирометрами полного излучения.

Пирометры излучения применяют для измерения температуры твердых и расплавленных тел в пределах от 400°С до 4000°С.

Установка технического жидкостного термометра (1-защитная гильза, 2-заполнитель,3-термометр)

Термометры технические жидкостные состоят из резервуара с термометрической жидкостью и соединенной с ним капиллярной трубкой. За капилляром располагается шкала в °C. Корпус прибора — стеклянный. При изменении температуры объем жидкости внутри прибора изменяется, вследствие чего столбик жидкости в капилляре поднимается или опускается пропорционально изменению температуры.

В качестве термометрической жидкости в термометрах расширения применяется:
• ртуть при изменении температуры от -30°C до +600°C;
• спирт при изменении температуры от -80°C до +80°C;
• толуол при изменении температуры от -80°C до +100°C;
• керосин при изменении температуры от 0°C до +300°C или другие органические жидкости.

Для удобства установки термометры изготавливаются прямые и угловые (под углом 90°, 120° и 135°). Для установки стеклянных термометров и предохранения их от повреждения применяются металлические оправы. В металлической оправе инертность термометра увеличивается. Для уменьшения времени запаздывания зазор между защитной оправой и хвостовиком заполняется техническим маслом (при температуре измерения до 150°С), медными опилками (при температуре свыше 150°С до 650°С).

Принцип работы дилатометрических термометров основан на преобразовании измеряемой температуры в разность абсолютных значений удлинений двух стержней, изготовленных из материалов с различными термическими коэффициентами линейного расширения. Они применяются в устройствах сигнализации и регулирования температуры.

Работа биметаллических термометров основана на деформации биметаллической ленты при изменении температуры. Биметаллическая лента согнута в виде плоской или винтовой спирали, один конец которой укреплен неподвижно, а другой — на оси стрелки. Угол поворота стрелки равен углу закручивания спирали, который пропорционален изменению температуры. Класс точности приборов 1 %, 1,5 %.

Приборы для измерения температуры: Манометрические термометры.

Схема манометрического термометра (1-термобаллон, 2-капилляр, 3-многовитковая трубчатая пружина)

Манометрические термометры по заполнению подразделяют на газовые, жидкостные и парожидкостные (конденсационные). Манометрические термометры состоят из термобаллона, капиллярной трубки, трубчатой пружины с тягой, зубчатого сектора и стрелки (см. рис.). Вся система заполняется рабочим веществом.

Принцип действия манометрических термометров основан на изменении объема или давления рабочего вещества в замкнутом объеме трубчатой пружины, капилляра и термобаллона, при изменении температуры среды, в которую помещен термобаллон. Если температура увеличивается, давление паров жидкости (газа) увеличивается, свободный конец пружины перемещается и через передаточный механизм поворачивает стрелку.

В газовых манометрических термометрах вся система заполнена инертным газом (азотом, гелием).
Шкала приборов равномерна. К недостаткам относятся сравнительно большая инерционность и большие размеры термобаллона. Применяются для измерения температур в диапазоне от -200°С до +600°С.

В жидкостных манометрических термометрах в качестве рабочей жидкости применяются метиловый спирт, ксилол, толуол, ртуть и т.д. Жидкостные манометрические термометры имеют равномерную шкалу. Применяются для измерения температур в диапазоне от -150°С до +300°С.

В конденсационных манометрических термометрах термобаллон частично заполнен термометрической жидкостью с низкой температурой кипения (ацетон, метилхлорид, этиловый эфир), а остальная часть системы заполнена насыщенными парами этой жидкости. Давление насыщенного пара изменяется в зависимости от температуры и передается на трубчатую пружины по капилляру посредством сконденсировавшейся жидкости. У конденсационных манометрических термометрах шкала неравномерная. Парожидкостные манометрические термометры применяются для измерения температур в диапазоне от -50°С до +300°С.

Манометрические термометры применяются как показывающие (типа ТПГ), так и самопишущие (типа ТГС), в которых привод диаграммы осуществляется от синхронного микродвигателя или от часового механизма. Широко используются сигнализирующие манометрические термометры (типа ТСМ) и электроконтактные манометрические термометры (типа ЭКТ). ЭКТ предназначены для замыкания и размыкания цепи электрического тока с целью поддержания заданной температуры и сигнализации о ее достижении. Класс точности большинства приборов — 1,5 % и 2,5 %.

Приборы для измерения температуры: Термопреобразователи сопротивления.

Платиновый унифицированный термометр сопротивления (1-платиновая спираль, 2-защитная арматура, 3-головка)

Принцип работы термопреобразователей сопротивления основан на свойстве применяемых в них проводниковых материалов изменять свое электрическое сопротивление при изменении температуры. Зная зависимость между температурой и сопротивлением, можно по сопротивлению вещества определить его температуру. Комплект термометра сопротивления состоит из первичного прибора (проводника, являющегося тепловоспринимающим элементом) и вторичного прибора, определяющего изменения электрического сопротивления и отградуированного в градусах Цельсия (°С) (рис.10). Тепловоспринимающие элементы изготавливаются из платиновой проволоки (типа ТСП), медной электролитной проволоки (типа ТСМ) и никелевой проволоки (типа ТСН).

Читайте также:  Отрезок измерение отрезка подготовительная группа

Платиновые термопреобразователи сопротивления применяют для измерения температуры от -220°С до +850°С (1100°С — для единичного производства). Чувствительный элемент термопреобразователя изготовлен из платиновой проволоки диаметром 0,05 — 0,08 мм, намотанной на слюдяную пластинку (каркас) с зубчатой нарезкой, и помещен в защитную арматуру (чехол). К концам платиновой обмотки припаиваются два серебряных вывода, находящиеся на выходной головке термометра. Выводы изолируются фарфоровыми изоляторами.
Чехол помещается в наружную защитную оболочку из стали с подвижным штуцером для крепления термометра в месте измерения.

В качестве вторичных приборов применяются уравновешенные мосты и лагометры. Питание приборов осуществляется от постороннего источника тока.

Измерительные приборы позволяют подключать к ним несколько термометров сопротивления.
Медные термопреобразователи сопротивления применяют для измерения температуры от -200°С до +200°С (-50°С до +120°С).
Никелевые термопреобразователи сопротивления применяют для измерения температуры от -60°С до +180°С.

Медный и никелевый термометры устроены аналогично платиновому, выводные концы выполнены из медной проволоки.
Стальная наружная оболочка обеспечивает работу термометров сопротивления в среде, находящейся под давлением до 30 кг/см2. Основной недостаток термометров сопротивления — большая инерционность (до 10 мин).

Приборы для измерения температуры: Термоэлектрические термометры (термопары).

Принцип действия термоэлектрических термометров основан на свойстве металлов и сплавов создавать термоэлектродвижущую силу (термо-ЭДС) при нагревании спая двух разнородных проводников, образующих т.н. термопару или первичный прибор термометра.
Термоэлектрический термометр состоит из двух спаянных и изолированных по длине термоэлектродов, защитного чехла и головки с зажимами для подключения соединительных проводов. В качестве вторичного прибора, измеряющего развиваемую термопарой термо-ЭДС, служит электроизмерительный прибор. В качестве измерителя ТЭДС применяются показывающие и самопишущие магнитоэлектрические милливольтметры и потенциометры. Зная зависимость ТЭДС от температуры спая, можно шкалу электрического прибора проградуировать в градусах Цельсия (°С) и фиксировать температуру вещества.

ТЭДС зависит от материала проводников, составляющих термоэлектрический термометр, а также от температуры холодного спая, называемого свободным концом. Свободный конец термоэлектрического термометра должен находиться в зоне постоянной температуры, имеющей определенное (известное) значение. Фактически свободный конец термоэлектрического термометра, как правило, находится в зоне переменной температуры, поэтому в качестве соединительных применяют компенсационные провода, позволяющие перенести свободный конец в зону с постоянной температурой, а также для подсоединения свободного конца термопары к зажимам измерительных приборов.

Применяются следующие термопары:

  • ТПП — платинородий (10 % родия)-платина для измерения температуры до 1600°С (до 1300°С при длительном применении);
  • ТПР — платинородий (30 % родия)-платинородий(6 % родия) для измерения температуры до 1800°С (от 300°С до 1600°С при длительном применении);
  • ТВР — вольфрамрений (5 % рения)-вольфрамрений (20 % рения) для измерения температуры до 2500°С (до 2200°С при длительном применении);
  • ТХА — хромель-алюмель для измерения температуры до 1300°С (от -200°С до 1000°С при длительном применении);
  • ТХК — хромель-копель для измерения температуры до 800°С (от -200°С до 600°С при длительном применении).

В настоящее время широко применяется автоматическое ведение поправки на температуру свободных концов термопары при помощи специальных компенсирующих устройств, что не требует обеспечения постоянства этой температуры. Эти устройства располагаются отдельно или встраиваются во вторичный прибор.

Термоэлектрические термометры (термопары) изготавливают различных классов точности. Они бывают как показывающими, так и самопишущими.

Общим недостатком термопар является окисляемость их термоэлектродов, особенно при высоких температурах.

К преимуществам этих приборов для измерения температуры относят:

  • широкий предел измерений,
  • высокая точность измерений,
  • большая чувствительность,
  • отсутствие постороннего источника тока,
  • осуществление дистанционной передачи показаний,
  • нечувствительность к вибрации.

Источник

Виды приборов для измерения температуры в промышленных и лабораторных условиях

Современное приборостроение предлагает широкий ассортимент измерителей температуры – приборы имеют разнообразную конфигурацию, принцип действия и сферы эксплуатации. Профессиональные и точные термометры незаменимы практически в любом направлении деятельности: их используют для контроля климатических показателей, при исследовании состояния материалов, оценке свойств веществ. Термометры также востребованы в быту и повседневной жизни, но особое распространение они получили в промышленности и науке.

Применение термометров в промышленности и лабораториях

В промышленных отраслях, таких как металлургия, целлюлозно-бумажное производство, земледелие, фармацевтика, животноводство, термометры необходимы для измерения температуры:

  • жидкостей;
  • растворов;
  • газов;
  • твердых тел;
  • поверхностей;
  • сыпучих материалов;
  • расплавов и т. д.

Профессиональные термометры особенно востребованы на производствах, где необходим контроль температуры сырья, технологического процесса или оценка свойств готовой продукции. К таким объектам относятся предприятия по изготовлению продуктов питания, химические и металлургические заводы, сельскохозяйственные организации и т. д. Контролировать технологические процессы также необходимо и в условиях лабораторных испытаний. Термометры находят применение в лабораториях контроля качества, эколого-аналитических центрах, технологических отделениях предприятий.

В каждой сфере деятельности востребованы определенные типы термометров. Эти измерители различаются по принципу действия и сфере применения.

Принцип действия измерителей температуры

В основе измерения температурных параметров могут лежать различные физические процессы. В зависимости от методики измерений все типы термометров делятся на 2 класса: контактные и бесконтактные.

1. Контактные термометры – принцип действия таких приборов основывается на необходимости теплового контакта между датчиком термометра и средой, температура которой измеряется. Термометр с датчиком подходит для работы с газообразными средами, жидкостями, твердыми или сыпучими продуктами;

Читайте также:  Как измерить мощность прибора потребителя

Контактные термометры по принципу измерения подразделяются на:

  • термометры сопротивления – фиксируют электрическое сопротивление веществ, изменяющееся в зависимости от изменения температуры окружающей среды. Термометр сопротивления состоит из чувствительного элемента и наружной (защитной) арматуры. В качестве материала для чувствительного элемента используют медь и платину. Эти материалы выбраны потому, что на их сопротивление заметно влияет изменение температуры окружающей среды (большой температурный коэффициент сопротивления). Термометры сопротивления часто используют в системах мониторинга и оповещения;
  • электронные термопары – предназначены для измерения термоэлектродвижущей силы, возникающей под действием сгенерированного тока;
  • манометрические – измерения основываются на зависимости температуры от давления газов, давление жидкости или газа меняется при изменении температуры. Чувствительным элементом в таких приборах служит термобаллон, который соединяется с манометром;

2. Бесконтактные — это такие термометры, для измерения которыми нет необходимости в тепловом контакте среды и прибора, а достаточно измерений собственного теплового или оптического излучения измеряемого объекта.

Бесконтактные термометры по принципу измерения подразделяются на:

  • пирометры излучения;
    • радиометры;
    • тепловизоры.

  • Бесконтактные пирометры – эти измерители, которые считывают тепловое излучение от исследуемых объектов. Приборы с инфракрасными датчиками бывают яркостными (в диапазоне красного света оценивается яркость эталонного объекта и исследуемого материала) и радиационными (мощность теплового излучения преобразуется в показатели температуры).

Классификация термометров по исполнению

В зависимости от материалов, которые применяются в измерительном приборе, термометры бывают:

  • жидкостными – выполняются в виде корпуса с жидкостью, которой свойственно температурное расширение (чаще всего используют ртуть или спирт). Колба с жидкостью оснащается измерительной шкалой. По ней отслеживается движение жидкости, которая при нагревании расширяется, а при охлаждении сжимается;
  • газовыми – принцип работы термометров похож с жидкостными, но в качестве заполняющего вещества в колбе используется инертный газ. Газообразное вещество имеет увеличенный температурный диапазон, что позволяет применять данные термометры при исследовании раскаленных материалов;
  • механическими – основываются на принципе деформации спирали из металла или биметаллической ленты. Такие термометры оснащаются стрелкой и внешне напоминают циферблат часов. Наиболее часто механические термометры используют в автомобилях и специализированной технике;
  • электрическими – измеряют уровень сопротивления металлического проводника (чаще медного или платинового) при разных температурах;
  • термоэлектрическими – в основе высокоточных измерителей лежат два проводника, образующих спай, при нагревании которого возникает термоэлектрический ток;
  • волоконно-оптическими – оптоволоконные датчики, через которые проходит световой луч, под действием температур изменяют свой объем, в это время прибор регистрирует преломление света. Математическая обработка спектрального смещения света дает информацию об измеряемой температуре.

Источник

Термометр. Виды и устройство. Работа и применение. Особенности

Термометр – это прибор, предназначенный для измерения температуры жидкостной, газообразной или твердой среды. Изобретателем первого устройства для измерения температуры является Галилео Галилей. Название прибора с греческого языка переводится как «измерять тепло». Первый прототип Галилея существенно отличался от современных. В более привычном виде устройство появилась спустя более чем через 200 лет, когда за изучение данного вопроса взялся шведский физик Цельсий. Он разработал систему измерения температуры, разделив термометр на шкалу от 0 до 100. В честь физика уровень температуры измеряются в градусах Цельсия.

Разновидности по принципу действия

Хотя с момента изобретения первых термометров прошло уже более через 400 лет, эти устройства до сих пор продолжают совершенствоваться. В связи с этим появляются все новые устройства, основанные на ранее не применяемых принципах действия.

Сейчас актуальными являются 7 разновидностей термометров:
  • Жидкостные.
  • Газовые.
  • Механические.
  • Электрические.
  • Термоэлектрические.
  • Волоконно-оптические.
  • Инфракрасные.
Жидкостные

Термометры относятся к самым первым приборам. Они работают на принципе расширения жидкостей при изменении температуры. Когда жидкость нагревается – она расширяется, а когда охлаждается, то сжимается. Само устройство состоит из очень тонкой стеклянной колбы, заполненной жидким веществом. Колба прикладывается к вертикальной шкале, выполненной в виде линейки. Температура измеряемой среды равна делению на шкале, на которое указывает уровень жидкости в колбе. Эти устройства являются очень точными. Их погрешность редко составляет более 0,1 градуса. В различном исполнении жидкостные приборы способны измерять температуру до +600 градусов. Их недостаток в том, что при падении колба может разбиться.

Газовые

Работают точно так же как и жидкостные, только их колбы заполняются инертным газом. Благодаря тому, что в качестве наполнителя используется газ, увеличивается диапазон измерения. Такой термометр может показывать максимальную температуру в пределах от +271 до +1000 градусов. Данные приборы обычно применяются для снятия показания температуры различных горячих веществ.

Механический

Термометр работает по принципу деформации металлической спирали. Такие приборы оснащаются стрелкой. Они внешне немного напоминает стрелочные часы. Подобные устройства используется на панели приборов автомобилей и различной спецтехнике. Главное достоинство механических термометров в их прочности. Они не боятся встряски или ударов, как модели из стекла.

Электрические

Приборы работают по физическому принципу изменения уровня сопротивления проводника при различных температурах. Чем горячее металл, тем его сопротивляемость при передаче электрического тока выше. Диапазон чувствительности электротермометров зависит от металла, который использован в качестве проводника. Для меди он составляет от -50 до +180 градусов. Более дорогие модели на платине могут указывать на температуру от -200 до +750 градусов. Такие приборы применяются как датчики температуры на производстве и в лабораториях.

Читайте также:  Методика измерения сопротивления изоляции заземления

Термоэлектрический

Термометр имеет в своей конструкции 2 проводника, которые измеряют температуру по физическому принципу, так называемому эффекту Зеебека. Подобные приборы имеют широкий диапазон измерения от -100 до +2500 градусов. Точность термоэлектрических устройств составляет около 0,01 градуса. Их можно встретить в промышленном производстве, когда требуется измерение высоких температур свыше 1000 градусов.

Волоконно-оптические

Делаются из оптоволокна. Это очень чувствительные датчики, которые могут измерять температуру до +400 градусов. При этом их погрешность не превышает 0,1 градуса. В основе такого термометра лежит натянутое оптоволокно, которое при изменении температуры растягивается или сжимается. Проходящий сквозь него луч света преломляется, что фиксирует оптический датчик, сопоставляющий преломление с температурой окружающей среды.

Инфракрасный

Термометр, или пирометр, является одним из самых недавних изобретений. Они имеют верхний диапазон измерения от +100 до +3000 градусов. В отличие от предыдущих разновидности термометров, они снимают показания без непосредственного контакта с измеряемым веществом. Прибор посылает инфракрасный луч на измеряемую поверхность, и на небольшом экране отображает ее температуру. При этом точность может отличаться на несколько градусов. Подобные устройства применяются для измерения уровня нагрева металлических заготовок, которые находятся в горне, корпуса двигателя и пр. Инфракрасные термометры способны показать температуры открытого пламени. Подобные устройства применяются еще в десятках различных сфер.

Разновидности по предназначению
Термометры можно классифицировать на несколько групп:
  • Медицинские.
  • Бытовые для воздуха.
  • Кухонные.
  • Промышленные.
Медицинский термометр

Медицинские термометры обычно называют градусники. Они имеют низкий диапазон измерения. Это связано с тем, что температура тела живого человека не может составлять ниже +29,5 и выше +42 градусов.

В зависимости от исполнения медицинские градусники бывают:
  • Стеклянные.
  • Цифровые.
  • Соска.
  • Кнопка.
  • Инфракрасный ушной.
  • Инфракрасный лобный.

Стеклянные термометры являются первыми, которые начали применять для медицинских целей. Данные устройства универсальны. Обычно их колбы заполняются спиртом. Раньше для таких целей использовалась ртуть. Подобные устройства имеют один большой недостаток, а именно необходимости длительного ожидания для отображения реальной температуры тела. При подмышечном исполнении продолжительность ожидания составляет не менее 5 минут.

Цифровые термометры имеют небольшой экран, на который выводится температура тела. Они способны показать точные данные спустя 30-60 секунд с момента начала измерения. Когда градусник получает конечную температуру, он создает звуковой сигнал, после которого его можно снимать. Данные приборы могут работать с погрешностью, если не очень плотно прилегают к телу. Существуют дешевые модели электронных термометров, которые снимают показания не менее долго, чем стеклянные. При этом они не создают звуковой сигнал об окончании измерения.

Термометры соски сделаны специально для маленьких детей. Устройство представляет собой соску-пустышку, которая вставляется в рот младенца. Обычно такие модели после завершения измерения подают музыкальный сигнал. Точность устройств составляет 0,1 градуса. В том случае если малыш начинает дышать через рот или плакать, отклонение от реальной температуры может быть существенным. Продолжительность измерения составляет 3-5 минут.

Термометры кнопки применяются тоже для детей возрастом до трех лет. По форме такие приборы напоминают канцелярскую кнопку, которая размещается ректально. Данные устройства снимают показания быстро, но имеют низкую точность.

Инфракрасный ушной термометр считывает температуру из барабанной перепонки. Такое устройство способно снять измерения всего за 2-4 секунды. Оно также оснащается цифровым дисплеем и работает на батарейках. Данное устройство имеет подсветку для облегчения введения в ушной проход. Приборы подходят для измерения температуры у детей старше 3 лет и взрослых, поскольку у младенцев слишком тонкий ушной канал, в который наконечник термометра не проходит.

Инфракрасные лобные термометры просто прикладываются ко лбу. Они работают по такому же принципу, как и ушные. Одно из преимуществ таких устройств в том, что они могут действовать и бесконтактно на расстоянии 2,5 см от кожи. Таким образом, с их помощью можно измерить температуру тела ребенка не разбудив его. Скорость работы лобных термометров составляет несколько секунд.

Бытовые для воздуха

Для измерения температуры воздуха на улице или в помещении применяются бытовые термометры. Они, как правило, выполнены в стеклянном варианте и заполнены спиртом или ртутью. Обычно диапазон их измерения в уличном исполнении составляет от -50 до +50 градусов, а в комнатном от 0 до +50 градусов. Подобные приборы часто можно встретить в виде украшений для интерьера или магнита на холодильник.

Кухонные

Кухонные термометры предназначены для измерения температуры различных блюд и ингредиентов. Они могут быть механическими, электрическими или жидкостными. Их применяют в тех случаях, когда необходимо строго контролировать температуру по рецепту, к примеру, при приготовлении карамели. Обычно подобные устройства идут в комплекте с герметичным тубусом для хранения.

Промышленные

Промышленные термометры предназначены для измерения температуры в различных системах. Обычно они представляют собой приборы механического типа со стрелкой. Их можно увидеть в магистралях водяного и газового снабжения. Промышленные модели бывают электрические, инфракрасные, механические и пр. Они имеют самое большое разнообразие форм, размеров и диапазонов измерения.

Источник