Измерение температуры

Размещено на http://www.allbest.ru/

Измерение температуры



Комплексная цель. Освоение основных методик измерения температуры, знакомство с принципами работы и устройством термометрической техники и температурными шкалами.

1. Определение понятия «Температура»

Основной величиной в учении о теплоте является температура. Понятие температуры известно каждому человеку с детства. Более того, оно «знакомо» всякому живому существу и даже каждому растению. Несмотря на это, а, впрочем, может быть именно поэтому, дать определение температуры оказывается весьма сложным. В элементарных учебниках температура иногда определяется как «степень нагретости тела», иногда как «причина ощущения тепла и холода». Эти определения при известной наглядности не дают, разумеется, количественной характеристики температуры. Такому требованию могут удовлетворить строгие определения, связывающие температуру с другими термодинамическими функциями. Однако они страдают другим недостатком: они менее наглядны и требуют предварительного знакомства с более сложными и абстрактными понятиями. Поэтому в связи с задачами настоящего обсуждения можно принять понятие температуры качественно знакомым читателю и необходимо вопрос о способе или способах измерения температуры, Не приходится доказывать, что каждому знакомы понятия «холодное», «теплое», «горячее», знакомы и способы измерения температуры обычным жидкостным термометром.

Легко, однако, видеть, что при этих измерениях нельзя поставить вопрос о том, во сколько раз одна температура больше или меньше другой. Ведь по принятой в обычной жизни стоградусной шкале мы имеем и положительные и отрицательные температуры, так что отношение двух температур может быть и положительным, а отрицательным, и даже равным бесконечности.

Довольно широко известна введенная У. Кельвином «абсолютная шкала температур» (обозначаемая °К), в которой все температуры положительны, и приведенное сомнение как будто отпадает. Тем не менее остается вопрос о том, в какой мере температура, измеренная по абсолютной шкале, является действительно «абсолютной» и каков критерий того, что при этом 600° К вдвое больше чем 300° К, или что интервал от 1000° К до 1500° К в пять раз больше, чем интервал от 400° К до 500° К. Дело в том, что хотя мы обладаем способностью воспринимать температуру (термическое осязание) и качественно сравнивать температуры в доступной нам области, мы не располагаем никакими методами прямого измерения температуры. Для того же, чтобы иметь косвенный метод, нам необходимо связать температуру с другими величинами, измерение которых нам доступно.

Прежде всего, здесь следует обратиться к таким свойствам окружающих нас тел, которые по нашим наблюдениям изменяются с изменением температуры. Естественно при этом использовать расширение тел при нагревании. Так родились термометры, измеряющие температуру по изменению объема жидкости. При более тщательном исследовании оказалось, что в этом способе скрывалась существенная неоднозначность, которую можно наглядно проиллюстрировать. Представим себе, что изготовлено несколько термометров, заполненных разными жидкостями. Отметим на них одинаковые «опорные точки», например температуры плавления каких либо двух веществ. Разделим на всех термометрах шкалу между этими точками на одинаковое число равноотсотстоящих частей. Если теперь все термометры поместить в среду, обладающую какой-то промежуточной температурой, то, как это покажет опыт, показания разных термометров будут различными. Особенно курьезно вел бы себя при этом термометр, который мы решили бы заполнить водой.

При температуре несколько более высокой, чем точка плавления льда, его столбик стоял бы не выше, а ниже этой точки.

Таким образом, разный закон изменения объема разных жидкостей (вплоть до изменения знака закона) как будто лишает нас возможности дать однозначный способ измерения температуры. Положение существенно улучшилось, когда Гей-Люссаком было обнаружено, что газы при повышении температуры расширяются практически одинаково. Вместе, с опытным законом Бойля-Мариотта этот также опытный закон одинакового расширения газов (закон Гей-Люссака) Менделееву и Клапейрону удалось объединить в общий закон, выражающий зависимость объема газа от давления и температуры. Приняв, что объем газа при постоянном давлении, или, более обще, произведение объема данной массы газа на его давление, является линейной характеристикой температуры, можно было объединенный закон представить в следующем виде:

pV =С (1 +at), (3.1)

где р - давление газа, V - его объем, t - температура, отсчитываемая от любой начальной точки, а - постоянный коэффициент, зависящий от выбора начальной температурной точки и масштаба измерения температуры, С - коэффициент, зависящий от массы данного газа, единиц измерения р и V и от масштаба измерения температуры.

Графически (1) может быть изображена прямой линией, пересекающей ось ординат. Представилось целесообразным экстраполировать прямую до пересечения с осью абсцисс и выбрать точку пересечения за начало отсчета температур. Таким образом и было введено понятие об «абсолютной температуре». Что касается масштаба измерения этой температуры, то он, разумеется, мог быть вполне произвольным. Его выбрали таким, чтобы интервал между точкой таяния льда и кипением воды был разделен на 100 частей - градусов. При таком масштабе точка пересечения прямой с осью абсцисс оказывается отстоящей примерно на 273 градуса.

Эта точка, как известно, была названа «абсолютным нулем». Соответственно была преобразована формула (1), которая приняла вид

PV = m/M RT, (3.2)

где Т - абсолютная температура, т - масса газа, М - масса киломоля или моля, R - так называемая универсальная газовая постоянная, численное значение кото рой зависит от выбора единиц величин, входящих в формулу.

В такой форме наряду с законами Бойля-Мариотта и Гей-Люссака уравнение (2) включает и закон - Авогадро. Это уравнение, по существу, можно трактовать как определение температуры в качестве величины, пропорциональной произведению давления на объем одного моля газа.

Уравнение (2) позволяет производить измерение концентрации газа так называемым «приведенным давлением». Если уравнение переписать в виде

m / МV = p / RT (3.2а)

то стоящее в левой части выражение будет иметь смысл числа молей или киломолей в единице объема, т. е. мо лярной концентрации. Очевидно, такая же концентрация будет и в том случае, если при температуре Т₀ => = 273° К давление газа будет равно

Po =P/Т_*Тo (3.2б)

Давление р₀ называется приведенным давлением и оно однозначно определяет молярную концентрацию, а следовательно, и концентрацию молекул газа, находящегося при давлении р и температуре Т. Соответствующая связь может быть легко найдена, если учесть, что 1 1.кмоль газа при нормальных, условиях занимает объем 22,42 м³. Таким образом, при приведенном давлении, равном одной атмосфере, молярная концентрация газа равна 0,044616 кмоль/м³.

Учитывая, что в одном киломоле содержится 6,023 * 10²⁶ молекул, найдем, что при такой концентрации содержится 2,687- 10²⁵ молекул/м^3.

Развитие кинетической теории идеальных газов позволило придать температуре определенный физический смысл как величине, пропорциональной средней кинетической энергии молекул. Оказывается, однако, что таким определением не исчерпываются возможные связи температуры с другими физическими величинами. Рассмотрим некоторые из этих связей.

Представим себе замкнутую оболочку, изолированную от окружающего пространства и находящуюся при постоянной температуре, причем внутри оболочки - идеальный вакуум. Несмотря на это, она не будет совершенно «пустой». Ограниченная оболочкой полость будет заполнена электромагнитным излучением, объемная плотность энергии которого w_r, согласно закону Стефана-Больцмана, пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры оболочки

Излучение внутри полости имеет распределение по длинам волн, представленное на рис. 1 для трех разных температур.

Как установил Вин, максимум энергии в этом распределении приходится на длину волны К_т, обратно пропорциональную температуре.



Такое определение температуры по формулам излучения является даже более общим, поскольку оно пригодно как для пространства, заполненного веществом, так и для вакуума. Поэтому распространенное определение температуры как величины, пропорциональной средней кинетической энергии поступательного движения молекул, следует рассматривать как частное определение температуры, а именно температуры тела, состоящего из молекул, атомов и электронов. Квантовая механика, однако, ограничивает даже это определение, делая его непригодным при низких температурах.

Согласно второму началу термодинамики никакая, самая идеальная тепловая машина, работающая без трения и потерь тепла наружу, не может иметь коэффициента полезного действия, равного единице, так как часть тепла обязательно должна переходить от источника тепла (нагревателя) к холодильнику.

Определяя абсолютный нуль как такую температуру, которой должен был бы обладать холодильник Заметим, что абсолютный нуль принципиально недостижим, но к нему можно подойти весьма близко, чтобы идеальный к. п, д. равнялся единице, мы можем, правда теоретически, использовать закон Стефана-Больцмана, для установления температурной шкалы.

В термодинамике доказывается, что все приведенные выше формулы определяют одну и ту же температуру, которая поэтому получила название термодинамической температуры.

Исключительно важное место, которое занимает температура в современной физике, определяя в макроскопической системе (т. е. системе, содержащей большое число молекул и других частиц) большинство ее свойств и протекающих в ней явлений (плотность, электропроводность, скорости химических реакций, фазовые превращения, и т. д.), делает целесообразным выделение температуры в разряд величин с собственной размерностью единиц и соответственно единицу измерения температуры желательно включить в число основных единиц измерения физических величин.

Обозначение размерности температуры ⁰.

Согласно Международной системе единиц абсолютная температура определяется как термодинамическая температура, причем градус этой температуры устанавливается таким образом, чтобы тройная точка воды имела температуру точно 273,16° К. Такой точкой называется точка, при которой находятся в равновесии все три фазы воды: лед, жидкая вода и насыщенный пар. В то время как равновесие между двумя фазами (вода - пар, лед - вода, лед - пар) может быть при разных температурах, равновесие всех трех фаз возможно лишь при вполне определенной температуре, которая и называется тройной точкой. По обычной шкале температур тройная точка воды довольно точно равна + 0,01° С, так что нулевая точка обычной стоградусной шкалы, соответствующая температуре таяния льда при давлении 1 атм, равна 273,15° К.



2. Температурные шкалы

Абсолютная термодинамическая шкала температур (шкала Кельвина) применяется в научных исследованиях при установлении связи между температурой и другими физическими величинами. В обиходе, в технической и даже в лабораторной практике пользуются так-называемой стоградусной шкалой, впервые введенной Цельсием. Температура, измеренная по шкале Цельсия, обозначается °С. Для температурных интервалов, измеренных в градусах Цельсия или Кельвина, применяется обозначение град, которое входит также в обозначения !комбинированных наименований производных единиц.

В некоторых странах сохранилась шкала Реомюра (°R), в которой интервал между точкой таяния льда и точкой кипения воды при давлении 1 атм разделен на 80 частей.

В шкале Фаренгейта (°F), применяемой в Англии и США, точке таяния льда присвоена температура 32° F, а точке кипения воды - 212°F, так что этот температурный интервал делится на 180 частей Шкала, в которой размер градуса равен градусу шкалы Фаренгейта, но отсчет ведется от абсолютного нуля, называется шкалой Ренкина. По этой шкале нуль Фаренгейта соответствует температуре 459,67°, точка замерзания воды 491,67° и точка кипения воды 671,67°,.

Мы можем теперь легко установить связь между различными температурными шкалами которая, для градусов абсолютных (°К), Цельсия (°С), Реомюра (°R) и Фаренгейта (°F) принимает следующие значения:

Последнее выражение позволяет весьма просто переводить температуру из одной шкалы в другую.



3. Опорные температурные точки

Термодинамическая шкала температур определяет температуры как измеряемую физическую величину и устанавливает ее единицу измерения. Эта единица принимается в качестве основной и определяется следующим образом: «градус Кельвина - единица измерения температуры по термодинамической шкале, в которой для температуры тройной точки воды установлено значение 273, 16° К (точно)». Последнее слово «точно» обозначает, что эта точка фиксируется как неизменная.

На практике непосредственные измерения в термодинамической шкале оказываются слишком сложными, вследствие чего желательно иметь возможность сравнивать различные приборы, служащие для измерения температур в относительно узких температурных интервалах, сохраняя при этом достаточно высокую точность. Для этой цели можно было бы применить газовый термометр, предпочтительно водородный или гелиевый, поскольку эти газы по сравнению с другими в наибольшей степени подчиняются законам идеальных газов. Однако пользование газовым термометром представляет большие практические неудобства, поэтому было выбрано несколько постоянных опорных точек, воспроизведение которых в лабораторных условиях не составляет большого труда. Одна из этих точек задается самим определением термодинамической шкалы - это тройная точка воды, которой приписана неизменная температура 273,16° К. Остальные точки установлены на основе возможно более тщательных измерений. Все эти точки представляют собой температуры фазовых переходов при нормальном давлении 1 атм. Точки эти следующие:

Точка кипения кислорода - 182,97° С

Точка кипения воды - 100° С

Точка затвердевания цинка - 419,505° С

Точка кипения серы - 444,6° С

Точка затвердевания серебра - 960,8° С

Точка затвердевания золота - 1083°С



4. Методы и технические средства измерения температуры

Температуру измеряют с помощью устройств, использующих различные термометрические свойства жидкостей, газов и твердых тел. Существуют десятки различных устройств применяемых в промышленности, при научных исследованиях, для специальных целей.

В таблице 1 приведены наиболее распространенные устройства для измерения температуры и практические пределы их применения.

Жидкостные стеклянные термометры

Самые старые устройства для измерения температуры - жидкостные стеклянные термометры - используют термометрическое свойство теплового расширения тел. Действие термометров основано на различии коэффициентов теплового расширения термометрического вещества и оболочки, в которой она находится (термометрического стекла или реже кварца).

Жидкостный термометр состоит из стеклянных баллона, капиллярной трубки и запасного резервуара. Термометрическое вещество заполняет баллон и частично капиллярную трубку. Свободное пространство в капиллярной трубке и в запасном резервуаре заполняется инертным газом или может находиться под вакуумом. Запасной резервуар или выступающая за верхним делением шкалы часть капиллярной трубки служит для предохранения термометра о порчи при чрезмерном перегреве.

В качестве термометрического вещества чаще всего применяют химически чистую ртуть. Она не смачивает стекла и остается жидкой в широком интервале температур. Кроме ртути в качестве термометрического вещества в стеклянных термометрах применяются и другие жидкости, преимущественно органического происхождения. Например: метиловый и этиловый спирт, керосин, пентан, толуол, галлий, амальгама таллия.

Основные достоинства стеклянных жидкостных термометров - простота употребления и достаточно высокая точность измерения даже для термометров серийного изготовления. К недостаткам стеклянных термометров можно отнести: плохую видимость шкалы (если не применять специальной увеличительной оптики) и невозможность автоматической записи показаний, передачи показаний на расстояние и ремонта.

Манометрические термометры.

Действие манометрических термометров основано на использовании зависимости давления вещества при постоянном объеме от температуры.

Замкнутая измерительная система манометрического термометра состоит из чувствительного элемента, воспринимающего температуру измеряемой среды, - металлического термобаллона, рабочего элемента манометра, измеряющего давление в системе, длинного соединительного металлического капилляра. При изменении температуры измеряемой среды давление в системе изменяется, в результате чего чувствительный элемент перемещает стрелку или перо по шкале манометра, отградуированного в градусах температуры. Манометрические термометры часто используют в системах автоматического регулирования температуры, как бесшкальные устройства информации (датчики).

Термоэлектрические термометры.

Для измерения температуры в металлургии и технической минералогии наиболее широкое распространение получили термоэлектрические термометры, работающие в интервале температур от -200 до +2500 ⁰C и выше. Данный тип устройств характеризует высокая точность и надежность, возможность использования в системах автоматического контроля и регулирования параметра, в значительной мере определяющего ход технологического процесса в плавильных агрегатах.

Сущность термоэлектрического метода заключается в возникновении ЭДС в проводнике, концы которого имеют различную температуру. Для того, чтобы измерить возникшую ЭДС, ее сравнивают с ЭДС другого проводника, образующего с первым термоэлектрическую пару AB, в цепи которой потечет ток.

Результирующая термо-ЭДС цепи, состоящей из двух разных проводников A и B (однородных по длине), равна разности потенциалов проводников A и B соответственно при температурах t2 и t1, мВ.

Термо-ЭДС данной пары зависит только от температуры t1 и t2 и не зависит от размеров термоэлектродов (длины, диаметра), величин теплопроводности и удельного электросопротивления.

Для увеличения чувствительности термоэлектрического метода измерения температуры в ряде случаев применяют термобатарею: несколько последовательно включенных термопар, рабочие концы которых находятся при температуре t2, свободные при известной и постоянной температуре t1.

Электрические термометры сопротивления.

В металлургической практике для измерения температур до 6500С применяются термометры сопротивления (ТС), принцип действия которых основан на использовании зависимости электрического сопротивления вещества от температуры. Зная данную зависимость, по изменению величины сопротивления термометра судят о температуре среды, в которую он погружен. Выходным параметром устройства является электрическая величина, которая может быть измерена с весьма высокой точностью (до 0.02⁰С), передана на большие расстояния и непосредственно использована в системах автоматического контроля и регулирования.

В качестве материалов для изготовления чувствительных элементов ТС используются чистые металлы: платина, медь, никель, железо и полупроводники.

Изменение электросопротивления данного материала при изменении температуры характеризуется температурным коэффициентом сопротивления.

Сопротивление полупроводников с увеличением температуры резко уменьшается, т. е. они имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления практически на порядок больше, чем у металлов.

Полупроводниковые термометры сопротивления (ТСПП) в основном применяются для измерения низких температур (1.5 - 400 ⁰К).

4.1 Бесконтактное измерение температуры

Основные понятия и законы излучения

О температуре нагретого тела можно судить на основании измерения параметров его теплового излучения, представляющего собой электромагнитные волны различной длины. Чем выше температура тела, тем больше энергии оно излучает.

Термометры, действие которых основано на измерении теплового излучения, называют пирометрами. Они позволяют контролировать температуру от 100 до 6000 ⁰С и выше. Одним из главных достоинств данных устройств является отсутствие влияния измерителя на температурное поле нагретого тела, так как в процессе измерения они не вступают в непосредственный контакт друг с другом. Поэтому данные методы получили название бесконтактных.

На основании законов излучения разработаны пирометры следующих типов:

1. пирометр суммарного излучения (ПСИ) - измеряется полная энергия излучения;

2. пирометр частичного излучения (ПЧИ) - измеряется энергия в ограниченном фильтром (или приемником) участки спектра;

3. пирометры спектрального отношения (ПСО) - измеряется отношение энергии фиксированных участков спектра.

В зависимости от типа пирометра различаются радиационная, яркостная, цветовая температуры.

Радиационной температурой реального тела Тр называют температуру, при которой полная мощность АЧТ равна полной энергии излучения данного тела при действительной температуре Тд.

Яркостной температурой реального тела Тя называют температуру, при которой плотность потока спектрального излучения АЧТ равна плотности потока спектрального излучения реального тела для той же длины волны (или узкого интервала спектра) при действительной температуре Тд.

Цветовой температурой реального тела Тц называют температуру, при которой отношения плотностей потоков излучения АЧТ для двух длин волн равно отношению плотностей потоков излучений реального тела для тех же длин волн при действительной температуре Тд.

Пирометры частичного излучения.

К данному типу пирометров, измеряющих яркостную температуру объекта, относятся монохроматические оптические пирометры и фотоэлектрические пирометры, измеряющие энергию потока в узком диапазоне длин волн.

Оптические пирометры.

Принцип действия оптических пирометров основан на использовании зависимости плотности потока монохроматического излучения от температуры на основе сравнении яркости объекта измерения и градуированного источника излучения в определенной длине волны.

Изображения излучателя линзой и диафрагмой объектива пирометра фокусируется в плоскости нити накаливания лампы. Оператор через диафрагму и линзу окуляра сквозь красный светофильтр на фоне раскаленного тела видит нить лампы. Перемещая движок реостата, оператор изменяет силу тока, проходящего через лампу, и добивается уравнивания яркости нити и яркости излучателя. Если яркость нити меньше яркости тела, то она на его фоне выглядит черной полоской, при большей температуре нити она будет выглядеть, как светлая дуга на более темном фоне. При равенстве яркости излучателя и нити последняя «исчезает» из поля зрения оператора. Этот момент свидетельствует о равенстве яркостных температур объекта измерения и нити лампы. Питание лампы осуществляется с помощью батареи. Прибор, фиксирующий силу тока, протекающего в измерительной цепи, заранее проградуирован в значениях зависимости между силой тока и яркостной температурой АЧТ, что позволяет производить считывание результата в ⁰С.

Данный тип пирометров позволяет измерять температуру от 700 до 8000 ⁰С. Для оптических пирометров промышленного применения в интервале температур 1200(2000 0С основная допустимая погрешность измерения составляет (20 ⁰С. На точность измерения влияют неопределенность и изменяемость спектральной степени черноты, возможное изменение интенсивности излучения за счет ослабления в промежуточной среде, а так же за счет отражения посторонних лучей.

Фотоэлектрические пирометры.

Фотоэлектрические пирометры частичного излучение обеспечивают непрерывное автоматическое измерения и регистрацию температуры. Их принцип действия основан на использовании зависимости интенсивности излучения от температуры в узком интервале длин волн спектра. В качестве приемников в данных устройствах используются фотодиоды, фотосопротивления, фотоэлементы и фотоумножители.

Фотоэлектрические пирометры частичного излучения делятся на две группы:

1. пирометры, в которых мерой температуры объекта является непосредственно величина фототока приемника излучения;

2. пирометры, которые содержат стабильный источник излучения, при чем фотоприемник служит лишь индикатором равенства яркостей данного источника и объекта.

На приведенной схеме фотоэлектрического пирометра, относящегося ко второй группе пирометров.

В нем в качестве приемника излучения применяется фотоэлемент. Поток от излучателя линзой и диафрагмой объектива фокусируется на отверстии в держателе светофильтра таким образом, чтобы изображение визируемого участка поверхности излучателя перекрывало данное отверстие. В этом случае величина светового потока, падающего на катод фотоэлемента, расположенного за светофильтром, определяется яркостью излучателя, т. е. его температурой. В держателе светофильтра расположено еще одно отверстие, через которое на фотоэлемент попадает поток от лампы обратной связи.

Световые потоки от излучателя и лампы подаются на катод опеременно с частотой 50 Гц, что обеспечивается с помощью вибрирующей заслонки. Возвратно-поступательное движение заслонки обеспечивается с помощью катушки возбуждения и постоянного магнита. В вибраторе происходит перемагничивание стального якоря, который с частотой 50 Гц поочередно притягивается полюсами магнита и перемещает заслонку.

При различии световых потоков излучателя и лампы в токе фотоэлемента появится переменная составляющая, имеющая частоту 50 Гц и амплитуду, пропорциональную разности данных потоков.

Усилитель обеспечивает усиление переменной составляющей, а фазовый детектор последующее ее выпрямление. Полученный выходной сигнал подается на лампу, что вызывает изменение силы тока накаливания. Это будет происходить до тех пор, пока на катоде фотоэлемента световые потоки от двух источников не уравняются. Следовательно, ток лампы обратной связи однозначно связан с яркостной температурой объекта измерения.

В цепь лампы включено калиброванное сопротивление 16, падение напряжения на котором пропорционально силе тока и измеряется быстродействующим потенциометром, снабженным температурной шкалой. Окуляр обеспечивает наводку устройства на объект измерения.

В фотоэлектрических пирометрах с пределами измерения от 500 до 1100 0С применяют кислородно-цезиевый фотоэлемент, а в приборах со шкалой 800(4000 0С вакуумный сурьмяно-цезиевый. Сочетание последнего с красным светофильтром обеспечивает получение эффективной длины волны пирометра 0.65(0.01 мкм, что приводит к совпадению показаний фотоэлектрического пирометра с показаниями визуального оптического пирометра.

Пирометры спектрального отношения.

Пирометры данного типа измеряют цветовую температуру объекта по отношению интенсивностей излучения в двух определенных участках спектра, каждая из которых характеризуется эффективной длиной волны. На схеме двухканального пирометра спектрального отношения (ПСО), в котором преобразование энергии получения в электрические сигналы производится с помощью двух кремниевых фотодиодов. Поток излучения от объекта измерения с помощью оптической системы, состоящей из линз, апертурной и полевой диафрагмы, передается на интерференционный светофильтр. Последний обеспечивает выделение двух потоков, каждый из которых характеризуется собственным спектром. Данные потоки попадают на кремниевые фотодиоды, которые преобразуют излучение в фототок, протекающий через сопротивление R1 и R2, включенные в измерительную схему вторичного регистрирующего прибора - логометра. Разность падений напряжений на сопротивлениях подается на вход усилителя, выходной сигнал которого поступает на реверсивный двигатель, перемещающий движок реохорда R2 и стрелку относительно шкалы наступления баланса, соответствующего измеряемой температуре.

Интерференционный фильтр 4 является полупрозрачным зеркалом, имеющем высокий коэффициент пропускания в одной и высокий коэффициент отражения в другой области спектра. Зеркало и окуляр обеспечивают визуальную наводку объектива пирометра на объект измерения. Для уменьшения погрешности от влияния окружающей температуры фильтр и приемники излучения помещены в термостат.

ПСО используются для измерения температур твердого и расплавленного металла в широком интервале температур от 300 до 2200 ⁰С и имеют класс точности 1 и 1.5 (в зависимости от предела измерения). Данные пирометры имеют в 3-5 раз меньшую методическую погрешность, связанную с изменением степени черноты излучателя. На их показания значительно меньше влияют поглощения промежуточной среды. Однако в тех случаях, когда объект характеризуется селективным излучением (степень черноты при одной и той же температуре резко изменяется с длиной волны), погрешность ПСО может быть выше погрешности пирометров излучения других типов. ПСО более сложны и менее надежны, чем другие приборы.

Пирометры суммарного излучения.

Пирометры суммарного излучения измеряют радиационную температуру тела, поэтому их часто называют радиационными. Принцип действия данных измерителей температуры основан на использовании закона Стефана-Больцмана.

Однако в случае применения оптических систем в ПСИ определение температуры ведется по плотности интегрального излучения не во всем интервале длин волн, а значительно меньшем: для стекла рабочий спектральный диапазон составляет 0.4(2.5, а для плавленого кварца 0.4(4 мкм.

Датчик пирометра выполняется в виде телескопа, линза объектива которого фокусируется на термочувствительном приемнике излучения нагретого тела. В качестве термочувствительного элемента используются термопары, термобатареи, болометры (металлические и полупроводниковые), биметаллические спирали и т. п. Наиболее широко применяются термобатареи, в которых используется 6-10 миниатюрных термопар (например, хромель-копелевые), соединенных последовательно. Поток излучения попадает на расклепанные в виде тонких зачерненных лепестков рабочие концы термопар. Свободные концы термопар привариваются к тонким пластинкам, закрепленным на слюдяном кольце. Металлические выводы служат для присоединения к измерительному прибору, в качестве которого обычно используются потенциометры или милливольтметры.

Рабочие концы термопар поглощают падающую энергию и нагреваются. Сбодные концы находятся вне зоны потока излучения и имеют температуру корпуса телескопа. В результате возникновения перепада температур термобатарея развивает термо-ЭДС, пропорциональную температуре рабочих спаев, а следовательно, и температуре объекта измерения.

Градуировка пирометров производится при температуре корпуса 20 (2) ⁰С, поэтому повышение данной температуры приводит к уменьшению перепада температур в термопарах приемника излучения и к появлению значительных дополнительных погрешностей.

Так, при температуре корпуса 40 ⁰С дополнительная погрешность (при прочих равных условиях) составит 4 ⁰С. Для снижения этой погрешности пирометры снабжаются компенсирующими устройствами: электрическим шунтом или биметаллической пружиной.

Устройство телескопа ПСИ. Он включает: корпус с диафрагмой; объектив, имеющий стеклянную или кварцевую линзу, устанавливаемую во втулке, ввинчиваемой в корпус; блок термобатареи, состоящей из самой термобатареи, корпуса, отростка, на который навинчивается подвижная диафрагма, и контактных винтов; компенсационное медное сопротивление, шунтирующее термобатарею и обеспечивающее уменьшение влияния измерений температуры телескопа на показания пирометра; окуляр, включающий линзу и защитное стекло. Фланец служит для крепления корпуса к защитной арматуре, обеспечивающей работу пирометра в тяжелых условиях металлургического производства.

Получение стандартной градуировки обеспечивается перемещением диафрагмы 6, зубчатый венец которой сочленен с зубьями трубки.

Диафрагма, устанавливаемая в телескопе, ограничивает телесный угол визирования, что исключает влияние на показания размеров излучателя и его расстояния от пирометра. При этом на термобатарею попадает излучение только с определенного небольшого участка объекта измерения. Размеры этого участка определяются по показателю визирования, который является отношением наименьшего диаметра излучателя к расстоянию от объекта измерения до объектива телескопа. При этом изображение круга, вписанного в излучатель, полностью перекрывает отверстие диафрагмы 6, находящейся перед термобатареей. Телескопы с показателем визирования более 1/16 являются широкоугольными, а с показателем, равным или меньшим 1/16, - узкоугольными.

При измерении температуры в схему пирометра между телескопом и вторичным прибором (милливольтметром или потенциометром) включается панель уравнительных и эквивалентных сопротивлений - панель взаимозаменяемости телескопов типа ПУЭС. Она обеспечивает постоянную нагрузку телескопа при работе с одним или двумя вторичными приборами, а также замену телескопа одной градуировки на телескоп другой градуировки. Защита пирометра от пыли, высокой температуры, механических воздействий обеспечивается с помощью специальной защитной арматуры.

Сопротивление соединительной линии между ПСИ и потенциометром не должно превышать 200 Ом, а при работе с милливольтметром оно равно 5 Ом. ПСИ имеют меньшую точность по сравнению с другими пирометрами.

Методические погрешности измерения температуры при использовании ПСИ возникают вследствие значительной ошибки определения интегральной степени черноты, из-за неправильной наводки телескопа на излучатель, из-за влияния излучения кладки (измерение температуры металла в печах) и из-за поглощения энергии водяными парам и углекислым газом, содержащихся в слое воздуха, находящегося между излучателем и пирометром. Вследствие последней причины оптимальным считается расстояние 0.8-1.3 м.

Вид материала линзы определяет интервал измеряемых температур и градуировочную характеристику. Стекло из флюорита обеспечивает возможность измерения низких температур начиная с 100 0С, кварцевое стекло используется для температуры 400(1500 ⁰С, а оптическое стекло для температур 950 0С и выше. ПСИ измеряют температуру от 100 до 3500 ⁰С.

температура термометрический газ давление



Литература

1. Лазько Е.М., Ляхов Ю. В., Пизнюр А. В. Физико-химические основы прогнозирования постмагматического оруденения. - М., 1981. - 256 с.

2. Леммлейн Г. Г. Морфология и генезис кристаллов. М., 1973. - 327 с.

3. Лесняк В.Ф. Основы анализа физико-химических свойств минералообразующих растворов по включениям в минералах. - Львов, 1964.

4. Маслова И. Н. Применение ультрамикрохимического метода анализа к исследованию состава растворов газово-жидких включений в минералах // Минералогическая термометрия и барометрия. - М., 1965. - 328 с.

5. Мельников Ф. П. Воспроизведение эталонов материнских растворов в минералах-узниках природных автоклавов жидких включений при изменениях температур//Минералогическая термометрия и барометрия. - М., 1968а. - Т. 1. - 310 с.

6. Мельников Ф. П. Криометрический метод исследования включений образцов минералообразующей среды // Минералогическая термометрия и барометрия. - М., 1968. - Т. 2. - 310 с.

7. Мельников Ф. П., Фраткин О. С. Кинематографический метод исследования процессов, происходящих во включениях минералов при изменении, температуры // Минералогическая термометрия и барометрия. - М., 1968. - Т. 2. - 310 с.

8. Методы и аппаратура для исследования включений минералообразующих сред. - М., 1968. - 198 с.

9. Пизнюр А. В. Основы термобарогеохимии. - Львов, 1986. - 199 с.

10. Смит Ф. Г. Геологическая термометрия по включениям в минералах. - М, 1956. - 166 с.

11. Шугурова Н. А. Химические обоснования методики газового анализа индивидуальных включений в минералах // Минералогическая термометрия и. барометрия. - М., 1968. - Т. 2. - 310 с.

Размещено на Allbest.ru