Лекции по дисциплине:

"МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИССЛЕДОВАНИЯ БЫТОВЫХ МАШИН И ПРИБОРОВ"

2. Измерение температуры

2.1 Основные сведения о температурных шкалах

Температура — это физическая величина, которая характеризует тепловое состояние объекта. Непосредственное измерение температуры невозможно. Существующие методы измерения температуры основаны на использовании однозначной взаимосвязи между температурой и другой физической величиной, измеряемой непосредственно (объем, давление, ЭДС, сопротивление и т.д.).

Для приведения в соответствие значений температуры, измеренной различными средствами измерения в различных точках земного шара, была создана международная практическая температурная шкала. Шкала построена таким образом, чтобы измеренная по ней температура была близка к термодинамической температуре (в пределах современной точности измерений, т. е. не зависела от средств измерения). МПТШ основана на постоянных точках — температурах, присвоенных воспроизводимым состоянием равновесия, и на специально аттестованных интерполяционных приборах. За единицу температуры принят кельвин (К). Допускается применение единицы температуры—градуса Цельсия (°С).

Рис. 1. Области применения эталонных и технических средств измерения температуры:

ТМВ — термометр магнитной восприимчивости; Не — конденсационные термометры с изотопами гелий-З и гелий-4; ГТС—германиевый термометр сопротивления; ТС, ТР, ТЭТ—термометры сопротивления, расширения и термоэлектрический; ПМИ — пирометр микроволнового излучения.

2.2 Методы измерения температуры

Температуру измеряют с помощью устройств, принцип действия которых основан на использовании термометрических свойств жидкостей, газов и твердых тел: тепловое расширение, изменение давления, электрического сопротивления и термо-ЭДС.

На использовании эффекта теплового расширения построена работа стеклянных жидкостных термометров. Принцип изменения давления жидкости, газа или пара в замкнутом объеме в зависимости от изменения температуры положен в основу конструкции манометрических термометров. Приборы подобного типа не получили широкого применения в холодильной технике из-за низкого класса точности (от 1 до 4), незначительной длины дистанционного капилляра (от 1,6 до 4,0 м) и больших габаритных размеров.

Для дистанционного централизованного измерения температуры наиболее перспективными являются термопреобразователи сопротивления и термоэлектрические преобразователи, которые работают в комплекте с измерительными приборами различных классов точности. Погрешность измерения таких приборов составляет от ±0,25 до ±1%. Дистанционность определяется сопротивлением линий связи и может достигать 100 м и более. Кроме того, сигналы на выходе термопреобразователя сопротивления и термоэлектрического преобразователя могут быть унифицированы, что позволяет применять стандартные вторичные приборы с унифицированным входом.

2.3 Термопреобразователи сопротивления

Принцип действия термопреобразователей сопротивления основан на использовании зависимости электрического сопротивления от температуры:

,				(1)
где	Ro, Rt		сопротивления термопреобразователя соответственно при 0°С и измеряемой температуре t;
			температурный коэффициент сопротивления.

Термопреобразователи могут быть металлическими и полупроводниковыми.

Металлические термопреобразователи сопротивления изготовляют из проволоки, намотанной на каркас или на изолированные выводы и вложенной в защитный кожух. Проволока может быть медной и платиновой. В зависимости от этого различают медные (ТСМ) и платиновые (ТСП) термопреобразователи сопротивления.

Термопреобразователи сопротивления ТСМ и ТСП выпускаются промышленностью для измерения температур в диапазоне от —260 до +750° С.

Наиболее важными характеристиками термопреобразователей сопротивления являются класс точности и инерционность.

Медные термопреобразователи сопротивления выпускаются II и III классов точности, платиновые —I и II классов.

Допустимые отклонения некоторых параметров от номинальных значений приведены ниже:

Класс точности	R0, %	R100 / R0
I	0,05	0,0007
II	0,1	0,001
III	0,1	0,002

Примечание. R₀ и R₁₀₀  сопротивление соответственно при 0 и 100 С.

Под инерционностью термопреобразователей понимают время вхождения преобразователя в класс точности при изменении входного сигнала скачком от 0 до 100%. Инерционность стандартных термопреобразователей (от нескольких секунд до нескольких минут) указывается в паспортных данных.

По конструкции различают погружные термопреобразователи и термопреобразователи в воздушном исполнении.

Погружные термопреобразователи сопротивления используют для измерения температуры жидких и газообразных сред. Платиновые термопреобразователи сопротивления выпускаются в двух модификациях — одинарными и двойными, т.е. с двумя и четырьмя каналами. Четырехканальные термопреобразователи сопротивления предназначены для работы с двумя вторичными преобразователями.

Рис. 2  Чувствительные элементы платиновых термометров сопротивления на керамическом каркасе: а) двухканальные; б) четырехканальные.

Для измерения температуры сред с различными давлениями используют термопреобразователи сопротивления исполнений I, II или III. Исполнение I предназначено для сред с низким давлением (до 0,25 МПа). Исполнение II — для давления до 25 МПа, исполнение III—до 50 МПа. Термопреобразователи исполнения II и III имеют защитную гильзу.

В качестве образцовых приборов используют платиновые малогабаритные термопреобразователи сопротивления типа ПТС-10 в комплекте с потенциометрами классов точности от 0,002 до 0,005.

Платиновые образцовые термопреобразователи сопротивления характеризуются высокой стабильностью. Погрешность от нестабильности платинового термопреобразователя составляет несколько тысячных долей процента.

Таблица 1  Характеристики термометров сопротивления

Тип	Пределы измерения, С	Монтажная длина, мм	Давление, кгс/см^2
ТСП-5071 Одинарный или двойной	200…+600	120; 160 200; 250	4
ТСМ-5071	50…+150	2000	250
ТСП-6097	50…+250	80; 100 120; 160	4; 40
ТСМ-6097	50…+150	200; 250; 320;400 500
ТСП-4033	260…+650	40	250
ТСП-50-81	50…+200	80; 100; 125; 160; 200; 250; 320; 400; 500	320

Полупроводниковые термопреобразователи (терморезисторы в зависимости от их типов могут иметь пределы измерения от —100 до +300° С.

Температурный коэффициент сопротивления терморезисторов почти на порядок выше, чем у металлических. Обладая высоким удельным сопротивлением, терморезисторы могут иметь небольшие размеры (до 1 мм) при большом номинальном сопротивлении (до 1 МОм); а, следовательно, и малую инерционность.

К недостаткам терморезисторов относятся плохая воспроизводимость характеристик (большой разброс параметров по отношению к номинальным) и нелинейный характер зависимости

,				(2)
где	R		сопротивление терморезистора;
	А, В		коэффициенты;
	Т		температура, К

Это затрудняет взаимозаменяемость преобразователей и приводит к необходимости индивидуальной градуировки их вторичных преобразователей. Такие приборы находят ограниченное применение.

Полупроводниковый термопреобразователь в комплекте с неравновесным электрическим мостом, в который включен измеритель — микроамперметр, используется в переносном измерителе температуры ПИТ-2. Прибор ПИТ-2 имеет две измерительные шкалы от —30 до 0°С и от 0 до 30°С. Для использования по мере надобности любой из этих двух шкал предусмотрен переключатель полярности.