Температура поверхностей какими приборами измеряется
Большинство технологических процессов корректно проходят только при определенной температуре. Кроме того, измеряемые температурные показатели помогают определять, насколько корректно используется затрачиваемая энергия.
- Виды термометров по принципу действия
- Контактные
- Термометры сопротивления
- Электронные термопары
- Манометрические
- Бесконтактные пирометр
- Виды термометров по использованию
Иными словами, это — та величина, которую нужно постоянно контролировать. Все виды приборов для измерения температуры делятся на контактные и бесконтактные. Также они классифицируются по материалам, принципам и способам действия.
Виды термометров по принципу действия
Процесс измерения температуры может основываться на разных физических процессах. Исходя из этого, выделяют 5 видов термометров.
Контактные
Такие приборы еще называют термометрами расширения. Они основаны на отслеживании изменения объема тел под действием меняющейся температуры. Обычно измеряемый диапазон температур составляет от -190 до +500 градусов по Цельсию.
К этой категории относятся жидкостные и механические устройства. Жидкостные представляют собой приборы в стеклянном корпусе, заполненные спиртом, ртутью, толуолом или керосином. Они прочные и устойчивые к внешним воздействиям. Температурный диапазон измерений зависит от типа используемой жидкости (наибольший — у ртутных, наименьший — у цифровых).
Механические могут работать с разными типами сред, включая жидкостные, газообразные, твердые или сыпучие. Универсальность позволяет использовать их в разных инженерных системах.
Термометры сопротивления
К этой категории относятся приборы, которые способны измерять электрическое сопротивление веществ, меняющееся в зависимости от температурных показателей. Рабочий диапазон этих устройств — от -200 до +650 градусов.
Такие термометры состоят из чувствительных термодатчиков и точных электронных блоков, контролирующих изменения проводимости, сопротивления и электрического потенциала. Обычно их встраивают в общую систему мониторинга и оповещения, туда, где нужно отслеживать меняющиеся параметры и не допускать их превышения.
В котельных установках наибольшее применение получили термометры сопротивления медные (ТСМ). Термометрами сопротивления можно измерять температуры от -50 до +600°С.
Электронные термопары
При нагревании эти приборы генерируют ток, что и позволяет измерять температуру. Принцип действия основан на замерах термоэлектродвижущей силы. Диапазон измерений в этом случае — от 0 до +1800 градусов.
Манометрические
Такие термометры учитывают зависимость между температурными показателями и давлением газа. В измеряемую среду помещают термобаллон, соединенный с манометром латунной трубкой. При нагреве термобаллона давление внутри него увеличивается, и эта величина измеряется манометром. Таким образом проводят замеры температуры в диапазоне от -160 до +600 градусов.
Бесконтактные пирометры
В основе этих приборов — инфракрасные датчики, считывающие уровень излучения. Они подразделяются на два вида: яркостные, проводящие измерения излучений на определенной длине волны (диапазон — от +100 до +6000 градусов), и радиационные, когда определяется тепловое действие лучеиспускания (от -50 до +2000 градусов). Они могут использоваться в том числе и для определения температуры нагретого металла, а также при наладке и испытаниях котлов.
Виды термометров по используемым материалам
Здесь различают 7 категорий:
- Жидкостные. Представляют собой корпус, заполненный жидкостью, которая подвержена температурному расширению. Колба с жидкостью прикладывается к шкале. При нагреве жидкость расширяется, и столбик растет, а при охлаждении — наоборот, сжимается (уменьшается). Погрешность измерений такими приборами составляет менее 0,1 градуса.
- Газовые. Принцип действия — тот же, что и у жидкостных, но в качестве заполнителя для колбы выбирается инертный газ. Это позволяет существенно увеличить температурный диапазон измерения (если для жидкостных предел — +600 градусов, то для газовых — +1000 градусов). С их помощью можно измерять температуру в различных раскаленных жидких средах.
- Механические. В основе действия — принцип деформации металлической спирали. Часто эти термометры комплектуются стрелочным “дисплеем”. Устанавливаются в спецтехнике, автомобилях, на автоматизированных линиях. Нечувствительны к ударам.
- Электрические. Работают, измеряя уровень сопротивления проводника при разных температурных показателях. В качестве проводника могут использоваться разные металлы (например, медь или платина). Соответственно, и диапазон измерений таких устройств будет отличаться. Чаще всего такие модели применяются в лабораторных условиях.
- Термоэлектрические. В конструкции предусмотрено два проводника, проводящие замеры по физическому принципу на основе эффекта Зеебека. Эти устройства очень точные, работают с погрешностью до 0,01 градуса и подходят для высокоточных измерений в производственных процессах, когда рабочая температура превышает 1000 градусов.
- Волоконно-оптические. Чувствительные датчики из оптоволокна (оно натягивается и сжимается или растягивается при изменении температуры, а прибор фиксирует степень преломления проходящего луча света). Допустимый диапазон измерений — до +400 градусов, а погрешность — не более 0,1 градуса.
- Инфракрасные. Непосредственный контакт с измеряемым веществом не требуется: прибор генерирует инфракрасный луч, который направляется на изучаемую поверхность. Это современный вид бесконтактных термометров, которые работают с точностью до нескольких градусов и подходят для высокотемпературных измерений. С их помощью можно измерять даже температуру открытого пламени.
Компания «Измеркон» предлагает как разные виды термометров, так и комбинированные устройства, в том числе манометры-термометры или гигрометры-термометры для автономной работы с энергонезависимой памятью, обеспечивающей постоянную фиксацию результатов измерений.
Источник
Точно измерить температуру поверхности контактным термометром НЕ ВОЗМОЖНО. Почему? Ответ кроется в самом принципе контактного измерения температуры объекта. Фактически контактный термометр показывает температуру своего чувствительного элемента, будь то термометр сопротивления, термопара или другой датчик. Точность измерения тем выше, чем лучше тепловое равновесие этого чувствительного элемента с измеряемой средой. При достаточном погружении датчика в среду и отсутствии искажений температурного поля из-за теплоотвода по корпусу термометра в окружающее пространство, измерения температуры могут быть очень точными. Это, например, мы видим при измерении температуры в ампулах реперных точек МТШ-90 или при измерении в глубоких жидкостных термостатах.
Как только глубина погружения термометра в измеряемую среду уменьшается, тепловой поток по корпусу термометра в окружающую среду начинает влиять на показания, погрешность измерения возрастает. Граничный случай – выход чувствительного элемента на уровень поверхности объекта и попытка отсчитать показания так называемой «температуры поверхности». Понятно, что в условиях размещения датчика на поверхности мы уже имеем очень серьезное искажение температурного поля объекта самим измерительным датчиком. Датчик как бы отбирает часть тепла от поверхности, выводя его в окружающую среду. Тем самым показания становятся ложными, не отражающими ту «температуру поверхности», какой она бы была без вмешательства датчика.
Еще один очень важный момент, на который следует обратить внимание при попытке измерения температуры поверхности – температура на поверхности предмета, это характеристика не одного, а фактически двух объектов: самого тела, на который мы крепим датчик, и окружающей среды (для простоты изложения, предположим, что это воздух). Тепловой поток, исходящий от поверхности тела, зависит от перепада температуры между телом и воздухом и от движения воздуха под влиянием естественной и иногда вынужденной конвекции. Очевидно, что чем меньше перепад температуры и чем слабее движение воздуха, тем точнее можно измерить температуру поверхности.
Из изложенных выше соображений следует вывод, что датчик для измерения температуры поверхности должен быть миниатюрным (например, тонкая термопара, термистор или пленочный термометр на тонких выводящих проводах). В то же время он должен иметь очень прочный контакт с объектом, но на небольшом участке поверхности, чтобы не исказить условия теплообмена. Однако даже в этом случае, не следует ожидать от измерений температуры поверхности точности лучше, чем несколько градусов. Нужна ли высокая точность, скажем 0,1 °С, при измерении температуры поверхности? В принципе, этот вопрос важно рассматривать для любых бытовых и промышленных измерений температуры. Как правило, оказывается, что требования к точности термометров завышены. Погрешность в несколько градусов вполне приемлема, когда надо оценить температуру поверхности электроплиты, батарей отопления, железнодорожных рельсов, подшипников. Датчиков, измеряющих температуру поверхности с такой точностью довольно много. Они представляют собой чувствительный элемент, тонкую термопару или ТСП, вмонтированную в миниатюрный плоский корпус, иногда снабженный пружиной, поджимающий термометр к поверхности или магнитом.
Пример термометра для измерения температуры поверхности – TESTO 905-T2
Существуют и более точные датчики для измерения температуры поверхности. Однако, они более сложные и дорогие. Например, фирма ISOTECH выпускает измерительную систему под названием «944 True Surface Temperature Measurement System».
Принцип работы системы заключается в компенсации потока тепла, отводимого термометром в окружающую среду. Для этого на термометр монтируется нагреватель, мощность которого регулируется с помощью датчиков (термопар), измеряющих перепад температуры на длине термометра.
Таким образом, по мнению изобретателей, удается полностью ликвидировать температурный градиент, возникающий на границе датчик-поверхность и измерить «реальную» температуру поверхности.
Одной из самых сложных проблем контактного измерения температуры поверхности является обеспечение метрологической прослеживаемости результата измерений от эталона единицы температуры, т.е. поверка датчиков температуры поверхности.
Один из подходов к решению проблемы поверки поверхностных термометров – поверять поверхностные датчики методом погружения в термостат и сличения с эталонным термометром. Однако, как показывают эксперименты, данный метод является очень грубым и иногда приводит к ошибкам в несколько десятков градусов.
Многие фирмы предлагают специальные калибраторы для поверки поверхностных термометров. Самая распространенная конструкция – подогреваемая плита, под поверхностью которой в каналах располагаются эталонные датчики температуры. В данном методе предполагается, что температура на поверхности плиты очень близка к температуре под ее поверхностью.
Калибратор поверхностных термометров фирмы ИзТех
Такой метод не может дать высокую точность поверки. Обычно погрешность метода оценивают по погрешности встроенного термометра, который калибруется предварительно по эталону методом погружения. Однако даже если дисплей калибратора точно воспроизводит температуру встроенного термометра, нельзя утверждать, что эта температура равна температуре на поверхности плиты. Как уже отмечалось ранее, большое значение имеет тепловой поток от поверхности из-за конвекции и излучения. Кроме того, большое влияние на результат поверки в таком поверхностном калибраторе оказывает качество поверхности плиты и датчика и плотность контакта с поверхностью.
Для того, чтобы учесть влияние теплового потока, были предложены расчетные и практические методы. Один из таких методов изложен в работе «The Calibration of Contact Surface Sensors: A Manufacturers Investigation. Electronic Development Laboratories Inc., 2003 NCSL International workshop and Symposium». Авторами предложен калибратор, называемый Surface Transfer Standard (STS), который представляет собой металлический блок, помещаемый в водяной перемешиваемый термостат.
Блок погружается таким образом, чтобы он выступал из жидкости на 11,5 мм. Верхняя крышка термостата находится на 10 см. выше уровня жидкости. Четыре тонких термопары встроены в блок на разных уровнях, так, чтобы отслеживать изменение температуры по длине блока. Температуру на поверхности получают методом экстраполяции показаний термопар.
Методом, при котором датчик не влияет на температуру поверхности, является метод бесконтактного измерения температуры с помощью пирометров и тепловизионных приборов. Однако при измерении температуры поверхности с помощью пирометров необходимо учитывать коэффициент излучения поверхности и влияние излучения от окружающих предметов, что вносит значительную неопределенность в результат измерения. (Более подробно о бесконтактных термометрах см. раздел «Радиационные термометры»).
Одним из интересных методов, позволяющих уточнить результат контактного измерения температуры поверхности является совместное использование контактного и неконтактного термометров. Метод заключается в том, что во время измерения температуры поверхности на термопару наводится тепловизор, показывающий перепад температуры вдоль корпуса термопары, по которому можно оценить погрешность контактного измерения.
Новый подход к измерению температуры поверхности и калибровке промышленных поверхностных термометров сейчас исследуется в рамках европейского проекта EMPRESS (https://www.strath.ac.uk/research/advancedformingresearchcentre/ourwork/projects/empressproject/)
Для точного измерения температуры поверхности используется новый тип преобразования – флуоресцентная термометрия. На последней конференции ТЕМПМЕКО 2016 был доложены последние результаты в этой области. Статья готовится к печати в журнале “International Journal of Thermophysics”. Суть метода заключается в том, что на поверхность калибратора наносится слой фосфора, который облучается потоком света от лазера или LED лампы. Приборы измеряют временное изменение интенсивности инициированного излучения поверхности, которое зависит от температуры поверхности. Таким образом, устраняется главная проблема контактного измерения температуры поверхности – тепловой поток по термометру и бесконтактного измерения – неизвестная излучающая способность поверхности.
На рисунке показан прототип поверхностного калибратора, который сейчас исследуется в INRiM. Тонкий слой температурно чувствительного фосфора нанесен на поверхность плиты. Фосфор облучается лазерным диодом. Вторичный оптический сигнал, проходящий по оптоволокну, преобразуется в электрический, слежение за которым позволяет наблюдать за изменением интенсивности флуоресценции во времени. Чувствительность такого метода сейчас достигает 0,05 °С до температуры 350 °С, воспроизводимость и однородность порядка 0,1 °С. Ожидаемая суммарная неопределенность метода оценивается 1 °С. Исследования продолжаются. Аналогичный метод, но с использованием облучения с помощью LED лампы, разрабатывается в NPL.
Источник
Одним из значимых физических параметров, которые чаще всего изучаются, наблюдаются и корректируются, будь то повседневная бытовая жизнь человека, производственные циклы или лабораторные исследования, является показатель температуры. В зависимости от свойств, технических особенностей и определяющего механизма работы существует определенная классификация приборов для измерения температуры на отдельные виды: обычные жидкостные устройства или сложные, усовершенствованные электронные и лазерные измерители, которые представляют собой достойную альтернативу ставшему привычным бытовому градуснику. Безусловно, основополагающим и решающим фактором является место применения таких устройств.
Виды приборов для измерения температуры
Устройства для проведения необходимых исследований, в том числе прибор для измерения температуры воздуха, отличаются конструктивно, а также принципом работы, который используется для проведения замеров. Достаточно широкое применение у контактных и дистанционных термометров, иначе называемых пирометрами. Кроме того, классификация приборов для измерения температуры группирует:
- Стеклянные и металлические термометры расширения жидкостные, работающие на свойстве изменения объема тел при разных значениях температуры. Спектр действия их от -190 до +500 °С.
- Манометрические термометры, использующие зависимость между изменяющейся температурой газообразного вещества, помещенного в замкнутый объем, и давлением. Работают при значениях от -160 до +600 °С.
- Электрические термометры сопротивления действуют, полагаясь на способность материалов-проводников менять электросопротивление при нагреве и охлаждении. Эффективны при значениях от -200 до +650 °С.
- Термоэлектрические преобразователи – термопары. Задействуются в диапазоне от 0 до +1800 °С. Эти приборы для измерения температуры используют свойство двух разных металлов и металлосплавов вырабатывать электродвижущую силу при перемене степени нагрева спая.
- Устройство для определения температуры от +100 до +2500 °С – пирометр излучения (фотоэлектрический, оптический, радиационный). Действие обусловлено тем, что фиксируемый показатель влияет на величину излучаемого телом тепла. Относится к бесконтактному типу измерений. Различают стационарные и мобильные, низко- и высокотемпературные пирометры.
Термометры и датчики
По иной классификации термофиксирующих устройств проводится их разделение на термометры и термодатчики.
Первые – это механические приборы, в том числе газонаполненные манометрические устройства, биметаллические, стеклянные измерители температуры и комбинированные регуляторы.
Термодатчики – это сверхточные усовершенствованные электронные приспособления для фиксирования показателей температуры в жидкостях и твердых телах. К ним следует относить термометры сопротивления, термопары, преобразователи показаний датчиков и сигнализаторы, оснащенные релейными механизмами.
Новейшие термодетекторы оснащены USB-интерфейсом, памятью для сохранения и анализа исследований, лазерным наводчиком-целеуказателем.
Измерители температуры воды
Каждый отдельный прибор для измерения температуры воды, холодных и горячих растворов характеризуется особым принципом работы. Встречаются универсальные приспособления, пригодные также для замеров показателей воздуха.
Жидкостные термометры
Стеклянные жидкостные измерители известны как самые элементарные и точные термометры, которые выпускаются прямыми и угловыми. А сфера их применения – анализ технологического оборудования, а также коммунальное хозяйство (замеры в трубопроводах). Приборы подходят для значений от -35 до +600 °С, причем в качестве чувствительного элемента чаще других применяют ртуть, а показания записывают по шкале.
В зависимости от места применения и особенностей строения различают устройства медицинские, технические, электроконтактные, жидкостные, палочные и прочие.
Конкретный прибор для измерения температуры воды выбирается с учетом допустимой погрешности при замерах.
Приспособления для определения температуры воздуха
Первый прибор для измерения температуры воздуха – это стеклянный термометр, активным жидким элементом в котором могут быть ртуть, спирт этиловый, толуол и другие вещества.
Высокоточные измерители ртутные бывают палочными и с вложенной стеклянной шкалой. Они востребованы в лабораторных исследованиях в различных областях производства и медицины. Палочный термометр оснащен прозрачной термостойкой градуированной капиллярной трубочкой, а второй вид измерителей характеризуется тем, что деления шкалы расположены позади нее на отдельной пластине, а весь механизм защищен футляром из прочного стекла.
При наличии в приборе электроконтактов его называют термосигнализатором, а чувствительная жидкость внутри резервуара и капилляра показывает настоящую температуру окружающего пространства.
Особенности терморегуляторов и сигнализаторов
Кроме вышеперечисленных, существуют и другие приборы для измерения температуры. К примеру, в качестве терморегуляторов и сигнализаторов используют стержневые дилатометры с чувствительными деталями из разнородных металлосплавов, которые удлиняются при нагреве на различную величину.
Тем же принципом характеризуется еще один вид термометра – биметаллический, со вставленной термочувствительной пружиной, спаянной с парой металлических пластинок с различным температурным расширением. В процессе нагрева пружина выгибается к пластине меньшего термокоэффициента, а по величине изгиба находят искомый показатель температуры.
Электротермометр
Для дистанционного фиксирования тепловых показателей окружающей среды в диапазоне от -15 до +125 °С отлично подходит бесконтактный прибор для измерения температуры – аспирационный электротермометр. В его устройство входят соединенные между собой шнуром измеритель и датчик.
Чувствительным элементом является тончайшая медная проволока датчика, накрученная спиралью на нитевой каркас.
Какие существуют устройства для измерения температуры тела
Температуру тела привычно измеряют градусником. Но на сегодняшний день существует множество других термометров, отличающихся по внешнему виду и основным принципам действия.
Самые распространенные приспособления, к которым принадлежит наш градусник, работают на температурном расширении ртути, керосина, спирта и др. жидкостей. Они недорогие, практичные и достаточно точные, особенно ртутные, хотя ядовитое содержимое в хрупком стеклянном корпусе несет с собой некоторый риск.
Электронный или цифровой прибор для измерения температуры тела показывает нужную величину благодаря встроенному датчику, но его стоимость много больше цены жидкостных «собратьев». Эти термометры контактные.
Инфракрасные пирометры не требуют прямого прикосновения к человеку, действуя дистанционно. Сверхчувствительный датчик за 2-15 секунд считывает величину излучения, выводя результат на дисплей. Эти бесконтактные приборы для измерения температуры превосходно подходят для семей с маленькими детьми, ситуаций со спящими больными и др. Кроме того, они применимы в быту в процессе приготовления пищи, а более мощные виды – в электроэнергетике, на стройплощадках, в металлургии и других отраслях промышленности.
Когда необходим дистанционный пирометр
Часто бывают ситуации, когда замерять температуру контактным способом невозможно или просто неудобно. Именно в таких случаях понадобится пирометр – прибор для дистанционного измерения температуры, а именно:
- при замерах показателей сильно разогретых тел или ядовитой среды;
- при затрудненном доступе, причем с небольшой погрешностью можно произвести измерения на расстоянии в десятки метров;
- при наблюдении за механизмами, находящимися в движении, причем на это потребуются доли секунды;
- при диагностике электробезопасности здания, когда именно таким измерителем удобно провести дистанционное сканирование на многочисленных удаленных участках.
Какими устройствами можно измерить температуру металла
В металлургической промышленности для исследования расплавленных металлосплавов необходим прочный прибор для измерения высоких температур.
Таковыми считаются уже описанные ранее пирометры. Они фиксируют на расстоянии тепловое излучение, характеризующее фактическую температуру металла. В сложных условиях сверхвысоких показателей тепла бесконтактный способ идеален. На жидкокристаллический дисплей выводятся следующие данные:
- фактическая температура по Фаренгейту и Цельсию;
- пограничные температуры;
- заряд батареи.
Максимальной точности измеряемой переменной можно добиться только тогда, когда между объектом и дистанционным прибором нет помех в виде поглощающих тепло паров или твердых тел. Если же нужно сделать замеры металлосплава в транспортировочном ковше или при розливе, то следует принять условие, что температурный показатель окажется меньше фактического и будет определяться расчетами.
Для того чтобы избежать неточности такого способа, применяется другой прибор для измерения температуры металла, а именно имитатор черного тела. Он погружается в расплав и представлен в виде трубы с запаянным или открытым концом, полого конуса или стакана из тугоплавкого металла. В любом варианте термоизмеритель должен обладать повышенной жаропрочностью, химической стойкостью и отличной теплопроводностью, чтобы демонстрировать исключительно точные данные.
Измерение температуры двигателя
Длительная эксплуатация, а также периодический ремонт машин и механизмов предполагают наличие специального оборудования, в составе которого – прибор для измерения температуры двигателя. К ним относят термопары, терморезисторы и термометры расширения.
Термопары – очень удобные и широко известные среди автомобилистов приборы для измерения температуры поверхностей, обмотки и внутренней полости двигателя. С помощью этих термодатчиков можно фиксировать данные даже в труднодоступных участках двигателя, в пазах и сердечниках. Представляют собой две изолированных проволоки разного металла со спаянными с одной стороны концами, которые помещаются в определенную точку измерения. Вторые концы соединяются с милливольтметром и термометром, а сумма их показателей определяет фактическое значение температуры.
Ртутные и спиртовые термометры расширения весьма удобны для проведения необходимых измерений на доступных участках: обмотке, открытой поверхности различных деталей, а также выходящего (или входящего) из движка потока воздуха. Терморезисторы в виде медной проволочной обмотки крепят одновременно в нескольких местах двигателя, поочередно включая их, снимая фиксируемые показания и определяя среднее значение.
Вторичные приборы, используемые при измерениях температуры
Попробуем дать определение того, что такое промышленный вторичный прибор для измерения температуры. По сути, это автоматическое устройство является важным дополнением к основному измерителю, улавливающим и преобразующим зафиксированные показатели в удобочитаемую форму. Необходимо для осуществления четкого контроля, сигнализации и своевременного регулирования температуры в тех исключительных случаях, когда происходят отклонения от заданных условиями работы параметров. Отдельно выделяют стационарные и переносные вторичные электроприборы.
Как правило, вторичные приборы для измерения температуры имеют прочный защитный стальной корпус и оснащены градуированной шкалой. Регистрация значений происходит согласно диаграмме, записанной от термопар, тензорезисторов, термометров сопротивления, преобразователей и других устройств.
Рассматривая различные способы подачи информации, следует разделить вторичные приборы на регистрирующие и показывающие, одно- и многоканальные, двухфункциональные и однодиапазонные. При наличии сигнализирующего механизма данные приспособления моментально указывают на недопустимое изменение температуры, отличное от требуемой величины. Это помогает поддержанию логического протекания всех реакций и технологических процессов, в которых они задействованы.
При всем многообразии приборов, регистрирующих температурные показатели газов, жидкостей и твердых тел следует серьезно подходить к выбору нужного приспособления. Первостепенными факторами, которые надо учесть, являются допустимые границы температурных значений, максимальная удаленность, на которой можно проводить замеры (визирование), точность. И, конечно же, учитывается сфера использования конкретного вида термометра.
Источник