Вопрос 2. Приборы для измерения температуры. Типы. Область применения.

Ответ. В высокочастотной технике чаще применяются электрические методы измерения температуры, хотя в некоторых случаях может оказаться целесообразным применение неэлектрических методов, и поэтому они заслуживают упоминания.

Вся область измерения температуры условно делится на две части — термометрию, включающую определение температуры до 500—600 °С приборами (термометрами), и пирометрию, охватывающую измерение более высоких температур приборами, называемыми пирометрами.

Различают пять групп приборов для измерения температуры со следующими верхними пределами их применения:
— термометры расширения – 550 °С
— манометрические термометры – 550 °С
— электрические термометры сопротивления – 500 °С
— термоэлектрические пирометры – 1600 °С
— пирометры излучения (включая фотопирометры, для которых верхний предел практически не ограничен) – 2000 °С

Термометры расширения. Примером термометров расширения могут служить жидкостно-стеклянные термометры, широко применяемые для измерения температур в пределах от —80 до -(-500 °С — в случае изготовления из специального термометрического стекла и до +700 °С — при изготовлении из плавленого кварца.

Принцип действия жидкостно-стеклянных термометров основан на тепловом расширении жидкости, называемой обычно рабочим веществом термометра. В качестве рабочего вещества применяют ртуть, толуол, этиловый спирт, петролейный эфир, пентан и др.

Ртутные термометры обладают рядом преимуществ перед термометрами с другими жидкостями. Так, ртуть не смачивает стекла, что увеличивает точность отсчета показаний, имеет меньшую теплоемкость по сравнению с органическими жидкостями примерно в 12 раз, благодаря чему ртутные термометры менее инерционны.

Для целей технологической сигнализации и для применения в простейших схемах регулирования температуры изготовляются контактные ртутные термометры.

Различают термометры одноконтактные и двухконтактные. Первые обеспечивают замыкание электрического. контакта на фиксированной отметке шкалы, вторые — на любой отметке.

В цепи контактных термометров при 3—4 включениях в минуту допускается максимальный переменный ток, равный 1 а при напряжении 6 в.

К недостаткам жидкостно-стеклянных термометров следует отнести их хрупкость, невозможность дистанционной передачи показаний, большую термическую инерцию и затруднительность отсчета показаний из-за нечеткости шкалы и плохой видимости столбика жидкости в капилляре.

К термометрам расширения относятся также дилатометрические и биметаллические термометры.

Принцип действия дилатометрических и биметаллических термометров основан на изменении линейных размеров твердых тел в зависимости от изменения их температуры.

Термометры, основанные на расширении твердых тел, для измерительных целей используются сравнительно редко. Шире применяются температурные реле, основанные на этом принципе, имеющие своим назначением электрическую сигнализацию предельных температур, а также работу в схемах автоматических регуляторов температуры. Биметаллические термометры используются, кроме того, как компенсаторы влияния температуры в некоторых измерительных приборах.

Манометрические термометры. Манометрические термометры являются техническими приборами для измерения температуры в пределах от —50 до +550 °С в различных областях техники. Они имеют основную погрешность измерения, не превышающую + 1,5%.

Устройство манометрического термометра показано на рис. 1. Прибор состоит из термобаллона, погружаемого в среду с измеряемой температурой, капилляра и показывающего прибора, устройство которого не отличается от устройства обычного манометра. Герметически закрытая система, состоящая из термобдллона, капилляра и трубчатой пружины манометра, заполнена рабочим веществом, например, азотом. При нагревании термобаллона давление азота внутри системы увеличивается и трубчатая пружина несколько выпрямляется. Движение конца пружины вызывает поворот стрелки, указывающей на шкале прибора измеряемую температуру.

Манометрические термометры выполняются показывающими и самопишущими. Производятся также контактные манометрические термометры для целей электрической сигнализации предельных температур.

Преимуществами манометрических термометров по сравнению с жидкостно-стеклянными являются возможность автоматической записи показаний, возможность установки вторичного прибора на некотором расстоянии от места измерения благодаря наличию длинного (до 60 м) гибкого капилляра, соединяющего его с первичным прибором (термобаллоном), а также большая механическая прочность.

Общим недостатком этих приборов является большая термическая инерция и трудности ремонта при нарушении герметичности системы.

Термометры сопротивления. Термометры сопротивления представляют собой устройство, состоящее из тепловоспринимающей части, электроизмерительного прибора и источника тока.

Рис. 1. Манометрический термометр: 1 1 — термобаллон; 2 — капилляр; 3 — трубчатая пружина

Действие этого устройства основано на свойстве металлов увеличивать свое электрическое сопротивление при повышении температуры, вследствие чего изменяется ток в цепи, составленной из тепловоспринимающей части, источника тока и измерительного прибора. Тепловоспринимающая часть, или чувствительный элемент, термометра сопротивления представляет собой тонкую проволоку, намотанную на каркас из изоляционного материала. Длина чувствительного элемента термометра сопротивления составляет несколько сантиметров, и поэтому он измеряет температуру не в отдельной точке, а некоторую среднюю температуру тех слоев среды, которые находятся в области его расположения.

Электроизмерительными приборами, работающими в комплекте термометра сопротивления могут служить:
а) уравновешенный измерительный мост (простой или автоматический;
б) неуравновешенный измерительный мост;
в) логометр.

К металлам, применяемым для изготовления чувствительных элементов термометров сопротивления, предъявляются следующие требования:
1) большой температурный коэффициент сопротивления;
2) большое удельное сопротивление;
3) постоянство химических и физических свойств;
4) легкость получения одинаковых свойств.

Этим требованиям удовлетворяют чистые металлы: платина, медь, никель и железо.

Технические термометры сопротивления изготовляются преимущественно из платины, меди и в очень ограниченном количестве из никеля (условные обозначения ЭТП, ЭТМ и ЭТН). В СССР серийно выпускаются термометры сопротивления с чувствительными элементами из платины и меди.

Платиновые термометры предназначаются для измерения температур в интервале от — 200 до + 500 °С. Медные термометры сопротивления применяются для длительного измерения температур в интервале от —50 до -4-100 °С. При более высоких температурах (до 150 °С) медные термометры могут быть использованы только для кратковременных измерений.

Термометры каждого типа—ЭТП, ЭТМ и ЭТН — по ГОСТ 6651-53 могут изготовляться различных разновидностей.

По условиям эксплуатации различают термометры стационарные и переносные; по числу чувствительных элементов — термометры с одним выводом и с несколькими; по числу выводных проводников от каждого чувствительного элемента — термометры с двумя, тремя и четырьмя проводниками; по степени инерционности различают термометры большой инерционности БИ, обыкновенной инерционности ОИ и малой инерционности МИ.

К достоинствам термометров сопротивления относятся:
1) высокая степень точности измерения температуры;
2) возможность градуировки шкалы прибора на любой температурный интервал в пределах допустимых температур;
3) возможность дистанционной передачи показаний и централизации контроля температуры путем присоединения нескольких термометров сопротивления через переключатель к одному измерительному прибору;
4) возможность автоматической записи измеряемой температуры.

Наиболее широко в комплекте с техническими термометрами сопротивления применяются магнитоэлектрические логометры, у которых отсчитывают температуру непосредственно по шкале и показания которых в известных пределах не зависят от колебаний напряжения источников тока.

В настоящее время в СССР распространены следующие приборы: ЛПБ—логометр профильный большой; ЛМПУ — логометр магнитоэлектрический профильный утопленного монтажа; CJIM — самопишущий логометр на 1, 3 или 6 точек измерения и записи.

Термоэлектрические пирометры. Термоэлектрический пирометр состоит из теплочувствительного элемента — термопары — и измерителя т. э. д. с. (термоэлектродвижущей силы).

Измерение температуры при помощи термопары основано на явлении, состоящем в том, что нагревание места спая проволок из разных металлов вызывает появление т. э. д. е., которая (при постоянной температуре холодных концов, называемых также, иногда свободными концами термопары) зависит только от температуры горячего спая (называемого иногда также рабочим спаем или рабочим концом термопары) и материала взятых проволок. Геометрические размеры и форма проволок на величину т. э. д. с. совершенно не влияют.

Зависимость т. э. д. с. термопары от температуры горячего спая определяется экспериментально путем градуировки при температуре свободных концов, равной t0 = 0 °С, и дается в виде таблицы или графика.

Для измерения т. э. д. с. к свободным концам термопары (рис. 22, а) или в разрыв одного из электродов (рис. 22, б) присоединяется магнитоэлектрический милливольтметр.

Включая прибор, мы тем самым вводим в цепь термопары третий проводник С, отличающийся по своей природе от проводников А и В.

Можно показать, что термоэлектродвижущая сила термопары не изменится от введения в ее цепь нового проводника, если только температуры концов этого проводника одинаковы. При таком условии схемы включения измерительного прибора а и б равноценны и отличаются только тем, что, кроме горячего спая, в одном случае имеются два холодных спая, а во втором — один холодный и два нейтральных.

Рис. 2. Включение прибора в термоэлектрическую цепь: а — вхолоднщй спай; б — в электрод

Нарушение условия одинаковости температур нейтральных спаев вызывает появление паразитной т. э. д. е., которая будет тем больше, чем больше эта разность температур.

В качестве термоэлектродов, т. е. проводников, из которых составляется термопара, применяются металлы и сплавы, развивающие сравнительно большие т. э. д. с. Это дает возможность применять менее чувствительные, а следовательно, более надежные в эксплуатации приборы, служащие для измерения т. э. д. с.

Оценку величины т. э. д. с. различных термопар можно произвести, пользуясь термоэлектрическим рядом табл. 3, в которой приведены значения т. э. д. с. металлов и сплавов в паре с платиной при температуре горячего спая 100 °С и холодного спая 0 °С.

Т. э. д. с. любой пары из этого ряда получается алгебраическим вычитанием т. э. д. с. одного электрода из т. э. д. с. другого.

Важнейшим требованием, предъявляемым к термопаре, является постоянство ее термоэлектрической характеристики. В настоящее время для четырех различных типов термопар установлены стандартные градуировочные характеристики (ГОСТ 3044-45 и ГОСТ 6071-51).

По конструктивному выполнению термопары весьма разнообразны. В зависимости от назначения они выполняются с различной защитной арматурой, не меняющей градуировки термопары, но увеличивающей ее термическую инерцию.

В качестве вторичного измерительного прибора в комплекте с термопарой могут применяться показывающие, самопишущие или контактные милливольтметры или автоматические потенциометры. Для записи быстротекущих процессов нагрева может быть применен магнитоэлектрический осциллограф с чувствительным шлейфом.

Пирометры, основанные на использовании методов измерения температур тел по их излучению. Измерение температур тел по интенсивности их излучения осуществляется бесконтактным способом, не искажающим температурного поля объекта измерения, чем этот метод существенно отличается от методов, основанных на применении термоприемников, которые должны находиться в непосредственном контакте с телом, температуру которого измеряют.

Методы измерения температуры тел по интенсивности излучения основываются на следующих физических предпосылках:
1) с изменением температуры тела изменяется интенсивность излучения;
2) с изменением температуры тела интенсивность излучения меняется не только количественно, но и качественно, иначе говоря, изменяется состав лучистого потока, т. е. количественное соотношение лучей различных длин волн.

В соответствии с этими положениями различают три метода измерений:
1) радиационный, основанный на измерении суммарной мощности излучения нагретого тела;
2) оптический (монохроматический, яркостной), основанный на измерении мощности излучения для заданной длины волны;
3) цветовой, основанный на измерении отношения мощностей излучения для двух заданных длин волн и

На рис. 23 приведены кривые интенсивности излучения для абсолютно черного тела, которые показывают, что:
1) суммарная или интегральная мощность излучения (площадь, ограниченная кривой для соответствующей температуры и осью абсцисс) быстро растет с ростом температуры (закон Стефана — Больцмана);
2) максимум интенсивности излучения по мере роста температуры перемещается в область более коротких волн (закон Вина).

Полная, или интегральная, энергия излучения абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени температуры этого тела. Очевидно, измерив полную энергию излучения, мы можем определить температуру тела.

Рис. 3. Зависимость интенсивности лучеиспускания абсолютно черного тела от длины волны и абсолютной температуры

Такой метод измерения температуры носит название радиационного метода, а приборы, основанные на принципе измерения интегральной энергии излучения, называются радиационными пирометрами.

Радиационный пирометр, проградуированный по абсолютно черному телу, при измерении температуры физического тела (не абсолютно черного) будет давать заниженные показания, так как излучательная способность физических тел всегда меньше излу-чательной способности абсолютно черного тела. Эти показания могут быть исправлены, если известен коэффициент интегральной излучательной способности, представляющий отношение интегральной энергии излучения физического тела к интегральной энергии

излучения абсолютно черного тела при одной и той же температуре.

Для физических тел этот коэффициент всегда меньше единицы. Величина его зависит от материала тела, состояния поверхности, температуры и других факторов. Практически физическое тело излучает как абсолютно черное лишь в одном случае, когда оно находится в закрытой печи, внутренняя поверхность которой имеет ту же температуру, что и находящееся там тело. Глазок в печи может быть принят за абсолютно черное тело. В этом случае радиационный пирометр будет измерять истинную температуру.

Радиационные пирометры (рис. 4) различных конструкций состоят из двух основных частей: телескопа и измерительного прибора (показывающего или самопишущего).

Оптическая система телескопа концентрирует энергию излучения нагретого тела на термоприемнике. Термоприемник, помещенный внутри телескопа, обычно представляет собой миниатюрную термобатарею, т. э. д. с. которой служит мерой температуры нагретого тела.

В комплекте с радиационным пирометром могут применяться различного типа показывающие и самопишущие милливольтметры, а также лабораторные и автоматические потенциометры.

Оптический метод (монохроматический, яркостной) основан на определении интенсивности излучения нагретого тела, соответствующей вполне определенной длине волны. Практически в приборах используется излучение в некотором узком диапазоне длин волн от X до X f АХ. Обычно выбирают X = 0,65 мк из тех соображений, что к более длинным волнам человеческий глаз уже не восприимчив, волны же короче 0,65 мк могут быть срезаны при помощи красного светофильтра.

Рис. 4. Схема устройства радиационного пирометра: 1 — объектив; 2 — диафрагму; 3 — экран; 4— термобатарея; 5 — красный светофильтр; 6 — окуляр; 7 — гальванометр

Оптический пирометр, проградуированный по абсолютно черному телу, будет показывать при измерении температуры физических тел не действительную, а так называемую яркостную, или черную монохроматическую, температуру, так как коэффициент монохроматической излучательной способности, представляющий отношение интенсивности излучения физического тела и интенсивности излучения абсолютно черного тела в лучах заданной длины волны при одной и той же температуре, всегда меньше единицы.

Рис. 5. График поправок к оптическому пирометру

Для многих материалов коэффициенты монохроматической излучательной способности хорошо изучены. Пользуясь данными этой таблицы и кривыми поправок на неполноту излучения (рис. 5), можно определить поправку к яркостной температуре (показание оптического пирометра). Эту поправку следует прибавить к яр костной температуре для того, чтобы получить истинную.

Рис. 6. Схема устройства оптического пирометра: 1 — объектив; 2 — лампа накаливания; 3 — красный светофильтр; 4 — окуляр; 5 — реостат; 6 — аккумулятор; 7 — гальванометр;

Принцип действия прибора Изображение источника излучения, температуру которого хотят измерить, с помощью объектива получается в плоскости нити пирометрической лампочки. Наблюдатель, глядя в окуляр через красный светофильтр, видит нить лампочки, проектирующейся на фоне изображения источника излучения. Меняя положение движка реостата, можно установить такую силу тока пирометрической лампочки, при которой нить «исчезает» на фоне изображения. Это происходит в тог момент, когда яркость нити лампочки будет равна яркости изображения источника излучения. Соответствующая этому равенству яркостей сила тока отсчитывается по включенному в цепь амперметру, шкала которого обычно градуируется непосредственно в градусах яркостной температуры.

Каждый оптический пирометр имеет специальное устройство для монохроматизации (т. е. выделения одноцветных лучей) пучка лучей, попадающих в глаз наблюдателя. Для этой цели применяются стеклянные светофильтры из специального красного стекла.

Нить пирометрической лампочки стараются не нагревать выше 1500 °С, а измерение более высоких температур осуществляется путем уравнения яркости нити и ослабленной поглощающим фильтром яркости изображения источника излучения.

В соответствии с этим электроизмерительный прибор имеет две градусные шкалы: от 800 до 1400—1500 °С для работы без поглощающего фильтра и до 2000 °С с введенным между лампочкой и объективом поглощающим фильтром.

Оптические пирометры обеспечивают более высокую точность, чем радиационные, но не дают возможности осуществлять непрерывный отсчет температуры или ее автоматическую запись.

Цветовой метод измерения температуры основан на измерении интенсивностей излучения двух выбранных длин волн.

Цветовой метод измерения температуры теоретически является наиболее совершенным. Физические тела, температуру которых приходится измерять, являются чаще всего серыми излучателями, т. е. такими, которые, по сравнению с абсолютно черным телом, излучают слабее во всех частях спектра. Коэффициенты монохроматической излучательной способности этих тел имеют одинаковую величину для лучей любой длины волны. В этом случае отношение интенсивностей излучения не зависит от излучательной способности тела, и цветовой пирометр, проградуированный по абсолютно черному телу, должен показывать действительную температуру серого тела.

Практическое осуществление пирометра, использующего измерение отношения интенсивностей излучения для двух длин волн, оказывается достаточно сложным, поэтому последние не получили еще широкого распространения.

Фотоэлектрические пирометры. В фотоэлектрических пирометрах чувствительным органом, воспринимающим излучение раскаленных тел, является фотоэлемент.

Фотоэлемент представляет собой устройство, меняющее свои электрические свойства в зависимости от количества и качества падающего на его чувствительную поверхность излучения. Важной характеристикой фотоэлементов, применяемых в фотоэлектрических пирометрах, является их спектральная чувствительность, т. е. чувствительность к различным частям спектра излучения.

Фотоэлектрические пирометры можно разделить на три группы. К первой группе следует отнести фотопирометры, в которых используется вся или большая часть спектральной чувствительности фотоэлемента.

Эти фотопирометры реагируют на суммарную энергию излучения нагретого тела. В этом отношении их можно сравнить с радиационными пирометрами. Фотопирометры этой группы, проградуи-рованные по абсолютно черному телу, дают правильные показания лишь при измерении температуры тел, которые могут быть практически приняты за абсолютно черные.

Ко второй группе относятся фотопирометры, в которых так же, как и в оптических пирометрах, используется энергия излучения в узком диапазоне длин волн.

К третьей группе относятся цветовые фотопирометры, действие которых основано на измерении отношения интенсивностей излучения двух заданных длин волн.

В литературе описывается много различных схем и конструкций фотопирометров, однако серийно отечественной промышленностью выпускается только один тип ФЭП-3, предназначенный для измерения температуры прокатываемого металла в прокатных цехах. Прибор дает показания яркостной температуры и выпускается по классу 1.

Для измерения температуры при нагреве деталей или изделий токами высокой частоты может быть использован фотоэлектрический пирометр, разработанный НИИ ТВЧ им. проф. В. П. Вологдина. Головка этого прибора может быть установлена непосредственно на индукторе или отнесена от него на некоторое расстояние. Фотопирометр дает возможность автоматически отключать генератор при нагреве заготовки до заданной температуры.