1. Методы измерения температуры по тепловому излучению

-1- квазимонохроматический, 2- полного излучения, 3- спектрального отношения.

1. основан на использовании зависимости температуры от спектральной энергетической яркости по формуле Планка;

2. интегральная энергетическая яркость при определенной температуре по длине волны от 0 до , используется для определения температуры;

3. отношение спектральных энергетических яркостей для 2-х длин волн ₁ и ₂ меняется с изменением температуры.

Квазимонохроматические пирометры работают обычно на длине волны 0.65 мкм и градуируются по излучению абсолютно черного тела. Связь между действительной Т и яркостной температурами Т_я (показываемая пирометром) устанавливается на основе уравнения Планка для малых значений Т (уравнение Вина)

Т = Т_я (1+а Т_я), где а = С₂ln(1_T), _T - коэффициент теплового излучения тела, величина, обратная , которую надо знать. Погрешности измерений достигают 10-20% . Рис. Температура нити накала лампочки подсвета не может быть более 1500⁰С, но если в плече уравновешивания световых потоков поставить фильтр с известным пропусканием _ , можно измерять более высокие температуры.

В пирометрах полного излучения определяется радиационная температура Т_Р , т.е. температура, при которой интегральные яркости реального и абсолютно черного тела равны.. Из градуировки прибора, уравнения Стефана-Больцмана и известной величины _Т - коэффициента черноты, можно определить Т = Т_Р (1_Т)^14. Ошибки при использовании такого пирометра могут достигать сотен градусов.

6.1.6. Погрешности измерения температур

6.1.6.1. Систематические погрешности складываются из статических и динамических. Большое значение имеют погрешности от теплообмена при использовании контактных термометров. Особенно велики погрешности при измерении t⁰ поверхностей твердых тел.

Колебания атмосферного давления и температуры соединительных капилляров являются причиной систематических погрешностей при измерении t⁰ манометрическими жидкостными термометрами.

Включение электрических термометров необходимо учитывать с подводящими проводами, наводки также искажают показания. Требуется поддерживать постоянство t⁰ холодных спаев и учитывать саморазогрев термометров сопротивления проходящим током. Динамические свойства большинства контактных термометров определяется в основном термической инерционностью термоприемника.

Динамические свойства пирометров определяются в основном устройствами сравнения и уравновешивания, отсчетными приборами. Контактные термометры на несколько порядков более инерционны.

2. Случайные погрешности складываются из погрешности показывающих приборов из-за трения в опорах подвижных частей, погрешностей отсчета и случайных помех, воздействующих на все звенья измерительной цепи. Особенно влияют колебания t⁰ окружающей среды, напряжения питания.

6.2. Методы и средства измерения давления и разности давлений

Системы измерения давления в зависимости от вида измеряемого давления (избыточное давление, разрежение и атмосферное давление) известны под названиями манометры, вакуумметры и барометры. Наряду с ними существуют дифференциальные манометры для измерения разности давлений и мановакуумметры для измерения избыточного давления и разрежения. В преобразователях давления используется принцип уравновешивания силы.

U - образный двухтрубный манометр - это изогнутая в виде буквы U стеклянная трубка, наполненная манометрической жидкостью (водой, спиртом, ртутью). Измерительная система находится в равновесии, когда гидростатическое давление столба жидкости длиной l равно разности давлении p:

p = p₁-p₂ = = (h₁ + h₂) = l для А₁ = А₂ ; = 90⁰ ,

где А_1,2 - площади поперечного сечения манометрических трубок 1, 2; V_1,2 - объемы вытесненной жидкости в трубках 1,2; - ускорение свободного падения; h_1,2 - отклонение столба жидкости от нулевого положения; l = 2 h₂ - отсчитываемое значение; p_1,2 - давление на трубки 1,2; p - разность давлений; - угол наклона трубки к горизонтали; - плотность манометрической жидкости.

Однотрубные (чашечные) манометры в отличие от двухтрубных U-образных имеют два колена с различными площадями поперечного сечения А₁  А₂.

p = p₁-p₂ = h₂(1+ ) = l для А₁  А₂ ; = 90⁰ ,

l = h₁ + h₂ = h₂ + h₂ () = h₂(1+ ).

У манометров с наклонной трубкой трубка 2 отклонена относительно горизонтали на угол 0   90⁰. Кроме того, А₁  А₂ . Этими манометрами измеряют малые давления p = p₁-p₂ = l_аsin = l

Колокольные манометры служат для измерения минимальных избыточных давлений. Если давления p₁ и p₂ одинаковы, то сила тяжести сила тяжести F_G колокола компенсируется выталкивающей силой F_F вытесненной жидкости F_F =V_F = A_Gh₀ =F_G, A_G = dd - площадь поперечного сечения при d  d; V_F - объем вытесненной жидкости; d - внутренний диаметр колокола; d - толщина стенки колокола; - ускорение свободного падения; h₀ - глубина погружения колокола p₁ = p₂ ; - плотность затворной жидкости. При p₁  p₂ погружаемый колокол всплывает на l благодаря силе давления F_р = А_ip = А_i (p₁ - p₂) = F_G - A_Gh. Из уравнений получаем А_ip = A_Gh(h₀ - h). Перемещение колокола l = h₀ - h - h, где h₀ - внешняя глубина погружения при p₁ = p₂ ; h - внешняя глубина погружения колокола при p₁  p₂ ; h - опускание (снаружи) уровня жидкости при p₁  p₂ благодаря всплытию колокола.

Объем жидкости V_G = A_G l, который не вытесняется, когда колокол поднят, равен опустившемуся объему в сосуде V_T = (A_A + A_i) h, где A_A внешняя площадь и A_i - внутренняя площадь затворной жидкости в сосуде. Отсюда

l = - l, и p = l(1+)

Кольцевой манометр представляет собой кольцо, разделенное на две камеры при помощи разделительной стенки. Кольцо установлено в подшипниках и почти наполовину заполнено жидкостью. На кольце установлена дополнительная масса. Если между давлениями p₁ и p₂ в двух подводящих трубках существует разность p, то кольцо поворачивается. Зависимость описывается :

p = p₁-p₂ = l.

Разность давлений создает на разделительной стенке вращающий момент

М_dp= pAr_m.

A - площадь разделительной стенки, r_m - средний радиус кольца. Этот момент поворачивает кольцо на угол . Противодействующий момент создается силой тяжести дополнительной массы

М_dG = m_z gl_z sin,

g- ускорение свободного падения; l_z - расстояние центра тяжести кольца с дополнительной массой отточки вращения; m_z - дополнительная масса. Уравнение равновесия

p = m_z gl_z sin/Ar_m .

Грузопоршневые манометры - наиболее точные приборы для измерения давления. Они имеют большой диапазон измерений и используются для градуировки и поверки других приборов. Измеряемая разность давлений p = p₁-p₂ воздействует на площадь А поршня. Сила , создаваемая давлением F_p = p A , компенсируется силой тяжести поршня и накладных грузов

p = p₁-p₂ = (m_K + m_G)g/A

m_K , m_G - масса грузов и поршня соответственно; g- ускорение свободного падения.

Трением в поршне и цилиндре пренебрегают.

Манометры с плоской мембраной содержат мембраны , испытывающие напряжения изгиба. Для малых разностей давлений и круглых плоских мембран

р = l()^-1 .

Здесь Е - модуль упругости; R - радиус мембраны, d - толщина мембраны; l - отклонение центра мембраны; - коэффициент Пуассона.

Манометры с трубчатой пружиной наиболее распространены. Пружина - это закрепленная на одном конце трубка, обычно эллипс в сечении, изогнутая по окружности. Под действием p = p₁-p₂ форма сечения трубки изменяется. Свободный конец трубки выгибается наружу витка (p₁  p₂) или сгибается внутрь (p₁  p₂), причем перемещение этого конца (l или ) пропорционально разности p. Оно определяется экспериментально.

	жидкостные манометры					поршне-вые	деформационные
	U - образные
	двух-труб-ные	одно-труб-ные	накл. трубкой	коло-коль-ный	кольце-вые	грузо-поршневые	с плоской мембраной	с трубчатой пружи-ной
преде-лы, бар	0,01..2		0,0001..0,5		0,01-..250	0-10000	0,1..10000
погр. изм.%	1		1		1	0,02	(0,5..2,5)
время успокоения, с	 1		1	10	10	30	 1
преим.	просто, дешево		чувств. высока	линей-ная стат. хар.	цельнометалл; прост. отсч.	высокая точн.	надежн. недорого, универс. малогаб.
Недост.	разбивается, трудно считать показания		треб. изм угла.	стоим.	верт.полож. при монт.	непри-годн. для динам изм	ост. деформ. при перегрузках.
Обл. прим.	для лаб. изм.		лаб.усл.и пром., небольшие разр.		объемн. расх.в пром.	град., поверка	хим., энерг., пром.

Пьезоэлектрические манометры работают на одноименном эффекте, возникновении зарядов на поверхности сжатой кварцевой пластины. Напряжение на входе усилителя u зависит от емкости измерительной цепи C

u = Q/C = kSp,

где р - давление , действующее на металлическую мембрану, S - эффективная площадь, k - пьезоэлектрическая постоянная. Стабильность и слабость зависимости от температуры позволяет использовать их для измерения высокотемпературных сред. Из-за утечки заряда не используется для измерения статических давлений. Верхний предел измерений - до 1000 кгс/см².

Манометры с тензопреобразователями по быстродействию приближаются пьезоэлектрическим. Основаны на изменении электрического сопротивлении металлической проволоки или полупроводника от деформации. Вторые на порядок более чувствильны, но сложнее в изготовлении . Пример - “Сапфир - 22”- для измерения избыточных давлений с верхним пределом 4 кгс/см² и выше, надежны, стабильны. Погрешность измерения может быть доведена до 0,1%.