Уроки 81-82. Термометри розширення, дилатометричні, біметалічні та пірометри.

Термометри розширення : рідинні та скляні (мал. 1) застосовують для виміру температури повітря, води, рідин, ґрунту в діапазоні від -100 до +650^оС. 

                                            а)                                      б)                          в)

Малюнок 1. Ртутні скляні термометри: а - прямі типу А, б - кутові типу Б, в - контактні; 1 - корпус, 2 - шкала, 3 - капіляр, 4 - розширювач, 5 - заглушка, 6 – контакти.

Принцип дії термометрів розширення заснований на об'ємному розширенні рідини, що знаходиться всередині скляного розширювача, під дією навколишньої температури. В середині корпуса 1 знаходиться температурна шкала 2. У нижній частині термометра знаходиться розширювач 4, що сполучений із капіляром 3 (трубкою з малим внутрішнім діаметром). Верхня частина капіляра запаяна. При нагріванні рідина збільшується в об’ємі: V_t=V_o(1+γt), де V_t - обсяг рідини при нагріванні на t^оC, V_o- обсяг рідини при 0^оC; γ- коефіцієнт об’ємного розширення, t - різниця температури, ^оC. Піднімаючись нагору по капілярі, рідина встановлюється на висоті, пропорційній температурі нагрівання. Відлік ведеться по шкалі в градусах Цельсія. В якості робочої рідини в скляних термометрах використовують ртуть, спирт або толуол. Ртуть є кращою робочою рідиною, тому що вона не має властивості змочування, тому в скляному капілярі не утворить увігнутого меніска, що полегшить зняття показань із термометра. Ртуть використовується для вимірювання температур вище за -39°С, так як це э точка її замерзання. Для більш низьких температур застосовуються рідкі органічні сполуки, наприклад етиловий спирт. В залежності від форми нижньої частини , термометри розділяються на прямі - типу А і кутові - типу Б з кутом 90 або 135 градусів. Для охорони скляної оболонки термометра від ушкоджень і для зручності монтажу прилади поміщають у захисну металеву оправу. Скляні термометри випускають двох видів: технічні і лабораторні. Похибка технічних термометрів не перевищує одного розподілу шкали, похибка лабораторних – в залежності від меж вимірів від ±0,2 до ±5^оC.Головна причина похибки рідинних термометрів залежить від поступових незворотних змін пружності скла. Вони приводять до зменшення об’єму скла (капіляру) і підвищенню лінії відліку. Крім того, помилки можуть виникати в результаті неправильного зчитування показань або через розміщення термометра в місці, де температура не відповідає дійсний температурі середовища. При застосуванні в якості робочої рідини етилового спирту виникають додаткові помилки, через наявність сили зчеплення між спиртом і скляними стінками трубки, тому при швидкому зниженні температури частина рідини утримується на стінках. Крім того, спирт при освітлюванні зменшує свій об’єм. Скляні термометри через цілий ряд недоліків, порівняно велика теплова інерція, відсутності дистанційної передачі й автоматичного запису показань, в основному використовують у лабораторних дослідженнях і місцевому технологічному контролі.

 Дилатометричні термометри.

Дилатометрія — розділ фізики, в якому вивчають залежність зміни розмірів тіла під дією зовнішніх умов (температури, тиску, електричних і магнітних полів, іонізуючого випромінювання тощо). Питаннями дилатометрії займається також і метрологія. Предметом дилатометрії є визначення наступних характеристик теплового розширення твердих матеріалів: зміни довжини і коефіцієнтів лінійного розширення; ходу перетворень в процесі нагрівання, охолодження, при ізотермічній витримці, а також критичних температур (при фазових переходах тощо) для цих процесів. Для речовин, що знаходяться в рідкому або газоподібному стані, розглядають тільки об'ємне розширення. Прилади, що застосовують у дилатометрії називаються дилатометрами. 

 До дилатометричних термометрів відносять стрижневі і пластинчастий (біметалічний) термометри, дія яких заснована на відносному подовженні під впливом температури двох твердих тіл, що мають різні температурні коефіцієнти лінійного розширення. 

Стрижневий термометр (мал. 2 а) має закриту з одного кінця трубку 1, що розміщується у вимірювальному середовищі і виготовлена з матеріалу з більшим коефіцієнтом лінійного розширення. У трубку вставлений стрижень 2, що притискається до її дна важелем 3, з’єднаним із пружиною 4. Стрижень виготовлений з матеріалу з малим коефіцієнтом розширення. При зміні температури трубка змінює свою довжину, що приводить до переміщення в ній стрижня, який зберігає майже постійні розміри і з'єднаний за допомогою важеля 3 із вказівною стрілкою приладу.

Пластинчастий термометр (мал.2 б) складається із двох вигнутих і спаяних між собою по краях металевих смужок, з яких смужка 1 має великий коефіцієнт лінійного розширення, а смужка 2 - малий. Отримана пластинка змінює залежно від температури ступінь свого вигину, величина якого за допомогою тяги 3, важеля 4 і з'єднаної з ним стрілки зазначається за шкалою приладу. При збільшенні температури пластинка вигинається убік металу з меншим коефіцієнтом лінійного розширення.

Дилатометричні термометри не дістали поширення як самостійні прилади, а використовуються головним чином як чутливі елементи в сигналізаторах температури. Крім того, пластинчасті термометри іноді застосовуються для компенсації впливу змінної температури навколишнього повітря на покази інших приладів, у які вони  вбудовуються.

Біметалічні сигналізатори, в залежності від типу і модифікації, використовують у межах від ‑30 до +250⁰С. В якості чутливих елементів сигналізаторів застосовується сплав із двох металів (біметал), що мають різноманітні коефіцієнти лінійного розширення. При підвищенні температури вимірювального середовища в пластині біметалу через різницю зазначених коефіцієнтів виникає деформуюче зусилля, пластина згинається і замикає або розмикає закріплений на ній електричний контакт. Основні типи біметалічних сигналізаторів: РБ-1, РБ-3, РБ-7, ТР-4, ДТКМ. Похибка сигналізаторів складає ±1‑5°С.

Щоб дізнатися детальніше про біметалеві пластини переходьте за посиланням: 

https://uk.wikipedia.org/wiki/Біметалева_пластина

Пірометри. Пірометри застосовуються для вимірювання температури тіл у діапазоні від мінус 30 до плюс 6000⁰С. Дія цих приладів заснована на залежності теплового випромінювання нагрітих тіл від їх температури і фізико-хімічних властивостей. На відміну від термометрів первинний перетворювач пірометра не підпадає під вплив високої температури і не змінює температурне поле, тому що перебуває поза вимірювальним середовищем. З підвищенням температури нагрітого тіла інтенсивність його теплового випромінювання у вигляді електромагнітних хвиль різної довжини швидко зростає. При нагріванні до 500°С тіло випромінює невидимі інфрачервоні промені великої довжини хвилі, однак подальше збільшення температури викликає появу видимих променів меншої довжини, завдяки яким тіло починає світитися. Спочатку розпечене тіло має темно-червоні кольори, у міру підвищення температури і появи променів, що поступово зменшуються за довжиною хвилі, переходить у червоний, жовтогарячий, жовтий і, нарешті, білі кольори, що складається з комплексу променів різної довжини хвилі. Одночасно зі збільшенням температури нагрітого тіла і зміною його кольору сильно зростає інтенсивність часткового (монохроматичного або одноколірного) випромінювання (яскравість) для даної ефективної довжини хвилі, а також помітно збільшується інтенсивність сумарного випромінювання (радіація) тілом енергії, що дозволяє використовувати ці властивості для вимірювання температури нагрітих тіл. Різні фізичні тіла, що нагріті до тієї самої температури, мають неоднакові часткову і сумарну інтенсивності випромінювання і мають різні коефіцієнти поглинання, що являє собою відношення енергії, поглиненої тілом, до енергії, що падає на тіло. Найбільшу здатність випромінювання і поглинання енергії має так зване абсолютно чорне тіло, у природі не існуюче, що становить собою уявлюваний ідеальний випромінювач. Це тіло поглинає всі падаючі на нього промені, тобто має коефіцієнт поглинання, що дорівнює одиниці, і має найбільшу інтенсивність випромінювання. Фізичні тіла мають здатність відбивати частину падаючих на них променів і, отже, завжди мають коефіцієнт поглинання менше одиниці. Інтенсивність випромінювання і коефіцієнт поглинання при даній температурі залежать від складу речовини і стану його поверхні. Тіло, що має темну і шорсткувату поверхню, ближче за своїми властивостями до чорного тіла, ніж тіло зі світлою і полірованою поверхнею. Внаслідок цього шкалу пірометра доводиться градуювати за випромінюванням чорного тіла, тому що випромінювальна здатність реальних тіл менша, ніж чорних тіл, то показання пірометра будуть відповідати не дійсній температурі реального тіла, а дають умовну температуру або у цьому випадку так звану температуру яскравості. Пірометри, що вимірюють температуру яскравості за спектральною яскравістю у видимій частині спектра, називають оптичними (квазімонохроматичними) візуальними пірометрами і фотоелектричними. Прилади, що вимірюють температуру за значенням відношень енергетичних яскравостей у двох спектральних інтервалах, називають колірними пірометрами, або пірометрами спектрального відношення.

Оптичні пірометри широко застосовуються в лабораторних і виробничих умовах для вимірювання температур вище 800°С. Принцип дії оптичних пірометрів заснований на порівнянні спектральної яскравості тіла зі спектральною яскравістю градуйованого джерела випромінювання. Як чутливий елемент, що визначає збіг спектральних яскравостей у візуальних оптичних пірометрах, служать очі людини. Найпоширенішим є оптичний пірометр зі зникаючою ниткою, схема якого наведена на рис.4.6 а. Для вимірювання температури об'єктив приладу спрямовується на об'єкт вимірювання ОВ так, щоб спостерігач на його фоні побачив в окулярі 7 нитку оптичної лампи 4.

Порівняння спектральних яскравостей об'єкта вимірювання і нитки лампи 4 здійснюються звичайно при довжині хвилі, що дорівнює 0,65 мкм, для чого перед окуляром установлений червоний світлофільтр 6. Вибір червоного світлофільтра обумовлений тим, що око людини сприймає через цей фільтр тільки частину спектра його пропущення, що наближається до монохроматичного променя. Крім того, застосування червоного світлофільтра дозволяє знизити нижню межу вимірювання пірометра. Діафрагми (вхідна 3 і вихідна 5) обмежують вхідний і вихідний кути пірометра, оптимальні значення яких дозволяють забезпечити незалежність показань приладу від зміни відстані між об'єктом вимірювання і об'єктивом. Спостерігаючи за зображенням нитки лампи на фоні об'єкта вимірювання (світлий фон — темна нитка (рис.4.6 б), темний фон - світла нитка (рис.4.6 г), за допомогою реостата змінюють силу струму, що йде від батареї Б до нитки лампи, до того часу, доти яскравість нитки не стане рівною видимій яскравості об'єкта вимірювання. При досягненні зазначеної рівності нитка «зникає» на фоні зображення об'єкта вимірювання (рис.4.6 в). У цей момент за шкалою міліамперметра, попередньо градированого за значеннями температури яскравості нитки лампи, визначають яскравісну температуру об'єкта. За обмірюваною яскравісною температурою і відповідними виразами розраховують істинну температуру об’єкта. Звичайно в оптичних пірометрах є дві шкали, однією з яких користуються при невстановленому поглинаючому світлофільтрі, наприклад від 800 до 1200°С, а іншою - при встановленому світлофільтрі від 1200 до 2000°С. Існуючі в цей час оптичні пірометри призначені для вимірювання температур в інтервалі від 800 до 6000°С і мають різні модифікації з різними межами вимірювання. Клас точності оптичних пірометрів 1,5-4,0.На точність вимірювання температури оптичними пірометрами впливають ступінь відхилення властивостей випромінювача від властивостей чорного тіла, а також поглинання променів проміжним середовищем, через яке проводиться спостереження. На результати вимірювання впливають наявність у навколишньому повітрі пилу, диму і великого вмісту двоокису вуглецю. Крім того, усяке забруднення оптичної системи пірометрів також проводить до збільшення похибки вимірювання. Перевагами оптичних пірометрів є порівняно висока точність вимірювання, компактність приладу і простота роботи з ними. До недоліків варто віднести потребу в джерелі живлення, неможливість стаціонарного вимірювання температури і автоматичного її запису, а також суб'єктивність методу вимірювання, заснованого на спектральній чутливості очей спостерігача. Багато реальних тіл, такі, як кераміка, оксиди металів, вогнестійкі вироби, графіт та ін. є практично сірими. У цьому зв'язку переваги колірного методу вимірювання очевидні, тому що колірна температура багатьох твердих і рідких тіл значно менше відрізняється від істинної температури, ніж яскравісна або радіаційна.

Фотоелектричні пірометри. На відміну від оптичних візуальних пірометрів фотоелектричні пірометри є автоматичними. Чутливими елементами, що сприймають променисту енергію, у цих приладах можуть служити фотоелементи, фотомножники, фотоелементи опору і фотодіоди. Вимірювання температури фотоелектричними пірометрами, як і оптичними візуальними, засновано на залежності спектральної яскравості тіла від його температури. Фотоелектричні пірометри за принципом дії бувають двох типів. До першого типу відносять прилади, у яких сприймана приладом промениста енергія, потрапляючи на чутливий елемент, змінює його параметри (фотострум, опір). У приладах другого типу вимірювання променистої енергії здійснюється компенсаційним методом, тут чутливий елемент працює в режимі нуль-індикатора, порівнюючи інтенсивності випромінювання від вимірюваного тіла і стабільного джерела випромінювання - мініатюрної лампочки розжарювання.

Пірометри сумарного випромінювання. Вимірювання температури пірометрами сумарного випромінювання засновано на використанні теплового випромінювання нагрітих тіл. Теплові промені, які уловлюються пірометром, концентруються за допомогою збірної лінзи на термочутливому елементі, що складається з невеликої термобатареї. Променистий потік направляється лінзою на робочі кінці термобатареї, за ступенем нагрівання яких роблять висновок про температуру випромінювача. Вторинним приладом пірометра служить мілівольтметр або автоматичний потенціометр. Пірометр сумарного випромінювання характеризується рядом переваг у порівнянні з візуальним, що полягають в об'єктивності методу вимірювання, відсутності стороннього джерела живлення і можливості застосування дистанційної передачі показань на вторинні прилади, але уступає йому, як було зазначено раніше, у точності вимірювання. Шкала пірометра, градуйована в °С радіаційної температури, має нерівномірні розподіли, сильно стислі на початку і розтягнуті наприкінці. Для вимірювання температур вище 3000 °С методи пірометрії є практично єдиними, тому що вони безконтактні, тобто не вимагають безпосереднього контакту датчика приладу з об'єктом вимірювання. Теоретично верхня межа вимірювання температури пірометрами випромінювання необмежена.