Теплотехнические измерения

Общие понятия
Температура — мера кинетической энергии, обусловленной тепловым движением молекул тела или системы, т. е. потенциалом теплового потока.
Тепло — энергия, обусловленная разностью температур между телом или системой и окружающей средой.
Тепло передается от одного тела или системы к другому следующим (или нескольким) способами :
теплопроводностью — передачей тепла от одного тела другому;
конвекцией — движением среды;
излучением — с помощью электромагнитных волн.
Теплоемкость — количество тепла, необходимого для повы­шения температуры тела или системы на один градус.
Удельная теплоемкость — отношение теплоемкости тела к его массе.

Термическое сопротивление — мера способности тела препятствовать прохождению через него теплового потока.
Тепловое равновесие — состояние между телом и окружающей средой, когда между ними нет переноса тепла.
Точка кипения — температура, при которой наступает равновесие между жидким и парообразным состояниями вещества.
Точка замерзания — температура равновесия между твердой и жидкой фазами.
Для воды точка кипения соответствует 1000С, а точка замерзания или льда 00С.

Температурные шкалы
Согласно Международной системе единиц (МСЕ), термодинамическая шкала определяется двумя реперными точками и измеряется в кельвинах (К).
Абсолютный ноль (0 К) — теоретический минимум температуры для любого вещества
Тройная точка воды (273,16К) — соответствует температуре равновесия, в которой одновременно могут существовать вода, лед и пар (при определенных условиях).
Температурные шкалы:
Кельвина (К), Цельсия (0С), Ренкина (0R) и Фаренгейта (0F)

где
Т — температура в кельвинах;
Тс — температура в градусах Цельсия;
TR — температура в градусах Ренкина;
TF — температура в градусах Фаренгейта.

Резистивные детекторы температур
— изменение сопротивления проволоки или пленки из металла в зависимости от температуры.
где R0 — сопротивление при температуре 0°С;
t — температура, °С;
α — температурный коэффициент сопротивления.
Характеристики зависимости сопротивления некоторых металлов от температуры:
1 — никель; 2 — вольфрам; 3 — медь;
4 — платина.

Два основных типа платиновых проволочных резистивных преобразователей: погружаемый в среду зонд и монтируемый на по­верхности чувствительный элемент.
Проволочные элементы устанавливаются на керамическую основу с минимальным натяжением и покрываются защитным материалом, предотвращающим их от воздействия окружающей среды.
Платиновые резистивные преобразователи обычно включаются в одно из плеч моста Уитстона. При этом невысокое со­противление прибора (около 100 Ом) создает проблемы при его комму­тации с измерительной аппаратурой

Конструкции платиновых проволочных резистивных преобразователей:
а — проволочный зонд; б — проволочный преобразователь, монтируемый на поверхности чувствительного элемента; в — тонкопленочный преобразователь, устанавливаемый на поверхности чувствительного элемента

Термоэлектрические преобразователи (термопары)
— превращают изменение температуры в изменение тока, возникающего вследствие разности температуры на спае двух разнородных материалов, в котором возникает эффект Зеебека.
Зонд состоит из двух спаев: один размещается в точке, где производится
измерение температуры, второй — в точке опорной температуры.
Разность потенциалов Ui-U2, которая образуется на двух спаях зависит от
температуры спаев и измеряется вольтметром. Показания вольтметра
отображают разность температур между спаями.
Термопары прочны и экономичны, обладают хорошими динамическими свойствами.
.

Типичные термопары
Напряжения для различных термопар:
1 — никель-хром / констант;
2 — железо / констант;
3 — медь / констант;
4 — никель-хром / никель-марганец-алюминий- кремний; 5 — платина-родий / платина; платина-родий / платина;
6 — медь/константан

Формы спаев в термопарных температурных измерительных преобразователях: а — сваренные внахлест; б — развальцованные; в — сваренные встык; г — витые провода
Т
ипы термопарных зондов: а — открытый и незаземленный; б — открытый и заземленный; в — закрытый и заземленный; г — закрытый и незаземленный

Термисторы
— полупроводниковый резистивный прибор, сопротивление которого зависит от температуры.
Диапазон температур от -50 до +300°С.
где RT — сопротивление; А — постоянная, значение которой для разных материалов различно; В — характеристическая температура прибора; Т — температура, К.
По сравнению с резистивными преобразователями характеристики термисторов:
более крутые, т. е. температурный коэффициент сопротивления у них существенно больше, чем в металлах;
падают с увеличением температуры, т. е. температурный коэффициент сопротивления отрицательный.