Введение

    Высокопроизводительная, экономичная и безопасная работа технологических агрегатов машиностроительной промышленности требует применения современных методов и средств измерения величин, характеризующих ход производственного процесса и состояние оборудования.

    Основными параметрами (величинами), которые необходимо контролировать при работе агрегатов, является температура различных сред; расход, давление, состав газов и жидкостей; состав металлов; геометрические размеры проката. Автоматическими приборами измеряется температура: в рабочих пространствах металлургических печей, выплавляемого и нагреваемого металла, элементов огнеупорной кладки, конструкции регенераторов и рекуператоров, а так же продуктов сгорания топлива. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Методы  и технические  средства 
   измерения температуры

1. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ

    Существуют  два основных способа для измерения  температур — контактные и бесконтактные. Контактные способы основаны на непосредственном контакте измерительного преобразователя  температуры с исследуемым объектом, в результате чего добиваются состояния теплового равновесия преобразователя и объекта. Этому способу присущи свои недостатки. Температурное поле объекта искажается при введении в него термоприемника. Температура преобразователя всегда отличается от истинной температуры объекта. Верхний предел измерения температуры ограничен свойствами материалов, из которых изготовлены температурные датчики. Кроме того, ряд задач измерения температуры в недоступных вращающихся с большой скоростью объектах не может быть решен контактным способом.

    Бесконтактный способ основан на восприятии тепловой энергии, передаваемой через лучеиспускание и воспринимаемой на некотором расстоянии от исследуемого объема. Этот способ менее  чувствителен, чем контактный. Измерения  температуры в большой степени зависят от воспроизведения условий градуировки при эксплуатации, а в противном случае появляются значительные погрешности. Устройство, служащее для измерения температуры путем преобразования ее значений в сигнал или показание, называется термометром (ГОСТ 13417-76),

    По  принципу действия все термометры делятся  на следующие группы, которые используются для различных интервалов температур:

    1 Термометры расширения от —260 до +700 °С, основанные на изменении  объемов жидкостей или

    твердых тел при изменении температуры.

    2 Манометрические термометры от  —200 до +600 °С, измеряющие температуру  по зависимости давления

    жидкости, пара или газа в замкнутом объеме от изменения температуры.

    3. Термометры электрического сопротивления  стандартные от —270 до +750 °С, преобразующие

    изменение температуры в изменение электрического сопротивления проводников или  полупроводников.

    4. Термоэлектрические термометры (или  пирометры), стандартные от —50 до +1800 °С, в основе

    преобразования  которых лежит зависимость значения электродвижущей силы от температуры спая

    разнородных проводников.

    Пирометры излучения от 500 до 100000 °С, основанные на измерении температуры по значению

    интенсивности лучистой энергии, испускаемой нагретым телом,

    Термометры, основанные на электрофизических явлениях от -272 до +1000 °С (термошумовые

    термоэлектрические  преобразователи, объемные резонансные  термопреобразователи, ядерные резонансные

2. Методы  измерения температуры

         Для определения значения температуры  какого-либо тела необходимо выбрать  эталон температуры, то есть тело, которое при определённых условиях, равновесных и достаточно легко воспроизводимых, имело бы определённое значение температуры. Это значение температуры является реперной точкой соответствующей шкалы температур - упорядоченной последовательности значений температуры, позволяющей количественно определять температуру того или иного тела. Температурная шкала позволяет косвенным образом определять температуру тела путем прямого измерения какого-либо его физического параметра, зависящего от температуры.

         Наиболее часто при получении  шкалы температур используются  свойства вода. Точки таяния льда  и кипения воды при нормальном  атмосферном давлении выбраны  в качестве реперных точек  в современных (но не обязательно  изначальных) температурных шкалах, предложенных Андерсом Цельсием (1701 - 1744), Рене Антуаном Фершо Реомюром (1683 - 1757), Даниэлем Габриэлем Фаренгейтом (1686 - 1736). Последний создал первые практически пригодные спиртовой и ртутный термометры, широко используемые до сих пор. Температурные шкалы Реомюра и Фаренгейта применяют в настоящее время в США, Великобритании и некоторых других странах.

         Введенную в 1742 году температурную  шкалу Цельсия, который предложил  температурный интервал между  температурами таяния льда и  кипения воды при нормальном давлении (1 атм или 101 325 Па) разделить на сто равных частей (градусов Цельсия), широко используют и сегодня, правда в уточненном виде, когда один градус Цельсия считается равным одному кельвину (см. ниже). При этом температура таяния льда берется равной 0 oC, а температура кипения воды становится приблизительно равной 99,975 oC. Возникающие при этом поправки, как правило, не имеют существенного значения, так как большинство используемых спиртовых, ртутных и электронных термометров не обладают достаточной точностью (поскольку в этом обычно нет необходимости). Это позволяет не учитывать указанные, очень небольшие поправки.

         После введения Международной  системы единиц (СИ) к применению  рекомендованы две температурные  шкалы. Первая шкала - термодинамическая, которая не зависит от свойств используемого вещества (рабочего тела) и вводится посредством цикла Карно. Эта температурная шкала подробно рассмотрена в третьей главе. Отметим только, что единицей измерения температуры в этой температурной шкале является один кельвин (1 К), одна из семи основных единиц в системе СИ. Эта единица названа в честь английского физика Уильяма Томсона (лорда Кельвина) (1824 - 1907), который разрабатывал эту шкалу и сохранил величину единицы измерения температуры такой же, как и в температурной шкале Цельсия. Вторая рекомендованная температурная шкала - международная практическая. Эта шкала имеет 11 реперных точек - температуры фазовых переходов ряда чистых веществ, причём значения этих температурных точек постоянно уточняются. Единицей измерения температуры в международной практической шкале также является 1 К.

         В настоящее время основной  реперной точкой, как термодинамической  шкалы, так и международной  практической шкалы температур  является тройная точка воды. Эта точка соответствует строго определенным значениям температуры и давления, при которых вода может одновременно существовать в твердом, жидком и газообразном состояниях. Причем, если состояние термодинамической системы определяется только значениями температуры и давления, то тройная точка может быть только одна. В системе СИ температура тройной точки воды принята равной 273,16 К при давлении 609 Па.

         Кроме задания реперных точек,  определяемых с помощью эталона  температуры, необходимо выбрать  термодинамическое свойство тела, описывающееся физической величиной, изменение которой является признаком изменения температуры или термометрическим признаком. Это свойство должно быть достаточно легко воспроизводимо, а физическая величина - легко измеряемой. Измерение указанной физической величины позволяет получить набор температурных точек (и соответствующих им значений температуры), промежуточных по отношению к реперным точкам.

         Тело, с помощью измерения термометрического  признака которого осуществляется  измерение температуры, называется термометрическим телом.

         Термометрическими признаками могут  быть изменения: объёма газа  или жидкости, электрического сопротивления  тел, разности электрического  потенциала на границе раздела  двух проводящих тел и т.д.  Соответствующие этим признакам приборы для измерения температуры (термометры) будут: газовый и ртутный термометры, термометры, использующие в качестве датчика термосопротивление или термопару.

         Приводя термометрическое тело (датчик  термометра) в состояние теплового контакта с тем телом, температуру которого необходимо измерить, можно на основании нулевого начала термодинамики утверждать, что по прошествии времени, достаточного для установления термодинамического равновесия, их температуры сравняются. Это позволяет приписать телу то же значение температуры, которое показывает термометр.

         Другой метод измерения температуры  реализован в пирометрах - приборах  для измерения яркостной температуры  тел по интенсивности их теплового  излучения. При этом достигается равновесное состояние термодинамической системы, состоящей из самого пирометра и теплового излучения, принимаемого им. Подробнее это явление рассмотрено в разделе курса, посвящённом квантовым свойствам равновесного теплового излучения. Сейчас мы только отметим, что оптическая пирометрия (бесконтактные методы измерения температур) используется в металлургии для измерения температуры расплава и проката, в лабораторных и производственных процессах, где необходимо измерение температуры нагретых газов, а также при исследованиях плазмы.

         Первый термометр был изобретён  Галилео Галилеем (1564 - 1642) и представлял  собой газовый термометр.

         Газовый термометр постоянного  объёма состоит из термометрического  тела - порции газа, заключенной в  сосуд, соединенный с помощью трубки с манометром. Измеряемая физическая величина (термометрический признак), обеспечивающая определение температуры, - давление газа при некотором фиксированном объёме. Постоянство объёма достигается тем, что вертикальным перемещением левой трубки уровень в правой трубке манометра доводится до одного и того же значения (опорной метки) и в этот момент производится измерения разности высот уровней жидкости в манометре. Учет различных поправок (например, теплового расширения стеклянных деталей термометра, адсорбции газа и т.д.) позволяет достичь точности измерения температуры газовым термометром постоянного объема, равной одной тысячной кельвина.

         Газовые термометры имеют то  преимущество, что температура, определяемая  с их помощью, при малых плотностях газа не зависит от природы используемого газа, а шкала газового термометра - хорошо совпадает с абсолютной шкалой температур (о ней подробно будет сказано ниже). Во второй главе мы подробнее опишем идеально-газовый термометр, определяющий абсолютную шкалу температур.