Виды приборов для измерения температуры в промышленных и лабораторных условиях

Современное приборостроение предлагает широкий ассортимент измерителей температуры – приборы имеют разнообразную конфигурацию, принцип действия и сферы эксплуатации. Профессиональные и точные термометры незаменимы практически в любом направлении деятельности: их используют для контроля климатических показателей, при исследовании состояния материалов, оценке свойств веществ. Термометры также востребованы в быту и повседневной жизни, но особое распространение они получили в промышленности и науке.

Применение термометров в промышленности и лабораториях

В промышленных отраслях, таких как металлургия, целлюлозно-бумажное производство, земледелие, фармацевтика, животноводство, термометры необходимы для измерения температуры:

жидкостей;
растворов;
газов;
твердых тел;
поверхностей;
сыпучих материалов;
расплавов и т. д.

Профессиональные термометры особенно востребованы на производствах, где необходим контроль температуры сырья, технологического процесса или оценка свойств готовой продукции. К таким объектам относятся предприятия по изготовлению продуктов питания, химические и металлургические заводы, сельскохозяйственные организации и т. д. Контролировать технологические процессы также необходимо и в условиях лабораторных испытаний. Термометры находят применение в лабораториях контроля качества, эколого-аналитических центрах, технологических отделениях предприятий.

В каждой сфере деятельности востребованы определенные типы термометров. Эти измерители различаются по принципу действия и сфере применения.

Метастатический термометр

У прибора конструктивно предусмотрено наличие изменяющейся шкалы. Точность определения показателей высока – в промежутке до 5°С. Допустимый участок шкалы от -20 до +150°С. Сменить диапазон можно, произведя отлив некоторого объема ртути из капилляра в дополнительную емкость.

Принцип действия измерителей температуры

В основе измерения температурных параметров могут лежать различные физические процессы. В зависимости от методики измерений все типы термометров делятся на 2 класса: контактные и бесконтактные.

1. Контактные термометры – принцип действия таких приборов основывается на необходимости теплового контакта между датчиком термометра и средой, температура которой измеряется. Термометр с датчиком подходит для работы с газообразными средами, жидкостями, твердыми или сыпучими продуктами;

Контактные термометры по принципу измерения подразделяются на:

термометры сопротивления – фиксируют электрическое сопротивление веществ, изменяющееся в зависимости от изменения температуры окружающей среды. Термометр сопротивления состоит из чувствительного элемента и наружной (защитной) арматуры. В качестве материала для чувствительного элемента используют медь и платину. Эти материалы выбраны потому, что на их сопротивление заметно влияет изменение температуры окружающей среды (большой температурный коэффициент сопротивления). Термометры сопротивления часто используют в системах мониторинга и оповещения;
электронные термопары – предназначены для измерения термоэлектродвижущей силы, возникающей под действием сгенерированного тока;
манометрические – измерения основываются на зависимости температуры от давления газов, давление жидкости или газа меняется при изменении температуры. Чувствительным элементом в таких приборах служит термобаллон, который соединяется с манометром;

2. Бесконтактные — это такие термометры, для измерения которыми нет необходимости в тепловом контакте среды и прибора, а достаточно измерений собственного теплового или оптического излучения измеряемого объекта.

Бесконтактные термометры по принципу измерения подразделяются на:

пирометры излучения;
тепловизоры.

Бесконтактные пирометры – эти измерители, которые считывают тепловое излучение от исследуемых объектов. Приборы с инфракрасными датчиками бывают яркостными (в диапазоне красного света оценивается яркость эталонного объекта и исследуемого материала) и радиационными (мощность теплового излучения преобразуется в показатели температуры).

Жидкостные устройства стеклянного типа

Это распространенные приспособления, отличающиеся несложной системой отсчета показателей. Точность замеров достаточно высока при допустимом интервале от -190 до +10000С.

Механизм работы основан на расширении жидкости, находящейся в резервуаре. При нагревании этого резервуара она будет подниматься, как это видно на фото измерителей температуры.

В качестве жидкости чаще всего применяется ртуть, однако существуют модели с толуолом, этиловым спиртом, пентаном. Недостатки – непрочность конструкции, нечеткость шкалы, отсутствие возможности накопления данных.

Классификация термометров по исполнению

В зависимости от материалов, которые применяются в измерительном приборе, термометры бывают:

жидкостными – выполняются в виде корпуса с жидкостью, которой свойственно температурное расширение (чаще всего используют ртуть или спирт). Колба с жидкостью оснащается измерительной шкалой. По ней отслеживается движение жидкости, которая при нагревании расширяется, а при охлаждении сжимается;
газовыми – принцип работы термометров похож с жидкостными, но в качестве заполняющего вещества в колбе используется инертный газ. Газообразное вещество имеет увеличенный температурный диапазон, что позволяет применять данные термометры при исследовании раскаленных материалов;
механическими – основываются на принципе деформации спирали из металла или биметаллической ленты. Такие термометры оснащаются стрелкой и внешне напоминают циферблат часов. Наиболее часто механические термометры используют в автомобилях и специализированной технике;
электрическими – измеряют уровень сопротивления металлического проводника (чаще медного или платинового) при разных температурах;
термоэлектрическими – в основе высокоточных измерителей лежат два проводника, образующих спай, при нагревании которого возникает термоэлектрический ток;
волоконно-оптическими – оптоволоконные датчики, через которые проходит световой луч, под действием температур изменяют свой объем, в это время прибор регистрирует преломление света. Математическая обработка спектрального смещения света дает информацию об измеряемой температуре.

Функционал измерительных приборов

Приспособления, которые задействуются при определении температурного режима, исполняют несколько основных функций, поэтому важно учитывать эти моменты при определении, какой измеритель лучше:

замеры фактического значения температуры в среде;
визуальное отражение температурного уровня;
фиксация полученных результатов в памяти прибора;
сигнализация о нарушении заданного температурного диапазона;
передача данных на рабочее оборудование.

Сложные агрегаты, оснащенные специальными температурными датчиками, способны также производить регулирование и поддерживать зафиксированный программным обеспечением температурный режим.

Резистивные датчики RTD

Наиболее часто используемый тензорезистивный материал — платина (Pt), но существуют также терморезисторы из никеля (Ni) или меди (Cu).

Нормативные датчики доступны как Pt100, Pt500 или Pt1000, что означает, что их номинальное сопротивление при 0 C составляет 100 Ом, 500 Ом или 1000 Ом соответственно.
Учитывая, что датчики RTD считаются наиболее точными, их точность измерений стандартизирована, и A соответственно.
Они классифицируются по классу точности B. На практике можно встретить и другие классы точности, а именно: AA, C, 1⁄3B или 1 / 10B

Датчики температуры в термисторе

Варианты терморезисторов, изготовленные из материалов с высоким температурным коэффициентом методом спекания. Мы различаем датчики NTC с отрицательным температурным фактором, для которых повышение температуры снижает сопротивление датчика, и термисторы типа PTC с положительным температурным фактором.

Термисторы характеризуются высокой чувствительностью в диапазоне 50 C ÷ 125 C, но в более широком диапазоне их термометрические характеристики определенно нелинейны, что затрудняет преобразование изменения сопротивления в температуру и, следовательно, снижает точность измерения. Цепи питания и измерения такие же, как для платиновых датчиков RTD.

Термоэлектрический датчик температуры

Эффект Зеебека эксплуатировали, суть которого в том, что если два различных металлов или их сплавов соединяются в двух местах, и точки соединения имеют различные температуры, сила создается между точками соединения.

Величина силы зависит от разницы температур между точками подключения и типа точек подключения. Точка измерения — это горячая точка, а свободные концы кабелей соответствуют контрольной точке.

Величина термоэлектрической силы зависит от разницы температур и коэффициентов Зеебека металлов, которые образуют точки подключения термопары.
На практике компенсация (CJC) выполняется посредством дополнительного измерения температуры T2 для точного измерения изменений температуры на свободных концах термопары.
Это измерение должно выполняться в контрольной точке подключения с использованием термистора, термистора или дополнительных соединений термопары.

Правильным выбором клемм (точек подключения) может быть достигнута достаточно высокая чувствительность, выражаемая в мВ / C. В таблице 2 показаны наиболее распространенные конфигурации металлов, из которых состоят измерительные термопары, а также электрические параметры соединений, стандартизованные в текущем стандарте EN 60584.

Точность измерения термопар зависит от класса 1 или 2 и диапазона измерения. Датчики класса 1 имеют точность ± 1,5 C в пределах основного диапазона измерения. Термопара Т-типа (Cu-CuNi) имеет наивысшую точность в диапазоне от -40 C до + 125 C со значением ± 0,5 C.

Полупроводниковый термометр

В конструкции присутствует три датчика, которые измеряют температуру в разных средах. Возможно и другое строение – 1 датчик с тремя сменными насадками.

Алгоритм измерения температуры тела

Измерить температуру любого тела (не путать с телом человека) так, как измеряют многие физические величины (длина, масса, объем) невозможно, так как в природе не существует эталона или образца единицы этой величины. Поэтому определение температуры вещества сводится к сравнению путем наблюдения за изменением физических свойств другого, так называемого термометрического вещества, которое при соприкосновении с нагретым телом вступает с ним через некоторое время в тепловое равновесие.

Метод измерения температуры тела не дает абсолютного значения температуры нагретой среды, а указывает лишь разность температур относительно исходной температуры термометрического вещества, условно принятой за нуль.

В процессе нагревания изменяется как внутренняя энергия вещества, так и практически все его физические свойства. Для измерения температуры выбираются только те свойства, которые однозначно меняются с изменением температуры, не подвержены влиянию других факторов и сравнительно легко поддаются точному измерению. Под эти требования наиболее точно подпадают следующие свойства рабочих веществ:

Объемное расширение.
Изменение давления в замкнутом объеме.
Изменение электрического сопротивления.
Возникновение термоэлектродвижущей силы и интенсивность излучения.

Все эти свойства положены в основу устройства приборов для измерения температуры.