Биметаллический термометр что это
Биметаллический термометр
Биметаллический термометр — это прибор для измерения температуры, принцип работы которого основан на расширении и сжатии твердых тел.
Биметаллический термометр
Прочность биметаллических термометров делает их приемлемыми для промышленного применения. Более того, биметаллические термометры способны противостоять температурам за пределами диапазона измерений.
Выход за пределы диапазона измерений означает, что термометр подвергается воздействию температур, которые либо выше, либо ниже самых высоких или самых низких показаний температуры на шкале термометра.
Схема биметаллического термометра
Что касается недостатков, то металлы, из которых изготавливаются биметаллические элементы термометров подвержены одному существенному дефекту, который отсутствует в жидкостных системах или манометрических системах. Так металлы могут закаливаться при воздействии температур свыше 1000°C в течение длительного времени. Закаливание биметаллических элементов понижает их чувствительность к изменениям температуры. Когда это происходит, то элемент не будет расширяться и как обычно при нагревании и сжиматься как обычно при охлаждении. Поэтому при повышении температуры стрелка не будет двигаться пропорционально повышению температуры. Когда температура будет понижаться, то стрелка не будет перемещаться пропорционально понижению температуры. Биметаллический элемент с закаленным элементом может слабо реагировать на повышение температуры и сильно реагировать на понижение температуры.
Принцип работы биметаллического термометра
У биметаллического термометра есть стрелка и шкала, с которой ведется отсчет показаний. Трубка биметаллического термометра служит в качестве контейнера, куда помещается для стержня и биметаллического элемента.
Биметаллический стержень (стержень, изготовленный из двух различных металлов, скрепленных вместе) может использоваться в качестве компенсатора в манометрических системах. Биметаллический элемент биметаллического термометра сходен с биметаллическим стержнем. Он также изготовлен из двух различных металлов, которые сжимаются или расширяются с различной степенью при изменениях температуры. Металл верхней части при нагревании расширяется больше, чем нижний, поэтому стержень изгибается в направлении, показанном на рисунке ниже. Металл наверху также сильнее сжимается при охлаждении и заставляет стержень изгибаться в противоположном направлении.
Биметаллический элемент реагирует на изменения температуры
Виды биметаллических термометров
Спиральный
Часто биметаллические элементы биметаллических термометров имеют форму спирали. Большинство элементов биметаллических термометров должны раскручиваться при нагревании. Однако это вовсе не обязательно. Некоторые, наоборот закручиваются при нагревании. Независимо от конструкции, направление движения элемента термометра будет известно и стрелка покажет изменения температуры.
Спиральный элемент реагирует на изменения температуры
Элемент, показанный на рисунке выше должен раскручиваться при нагревании. Когда этот спиральный элемент нагревается, то в ответ на повышение температуры он старается распрямиться. Подобное движение спирального элемента двигает стрелку в сторону более высоких показаний по шкале. Когда температура понижается, то спираль закручивается и стрелка двигается в сторону более низких показаний. Скручивание и распрямление спирального элемента пропорционально изменениям температуры Спиральные элементы используются в биметаллических термометрах вместо элементов в виде стержня, так как спиральный элемент занимает меньше места, чем элемент прямой формы. Кроме того, спиральный элемент обеспечивает больший ход стрелки, что в свою очередь, означает большую чувствительность к изменениям температуры.
Геликоид
Иногда спиральные элементы оказываются слишком плоскими и широкими, чтобы их можно применять в промышленности. Например, измерение температуры технологической жидкости, проходящей по большой трубе достаточно затруднено, так как потребуется датчик достаточно большой длины, чтобы он соприкасался с жидкостью. Для таких измерений температуры биметаллические термометры должны иметь удлиненный или длинный спиральный элемент. Удлиненный спиральный элемент носит название пространственной спирали или геликоида. Когда пространственная спираль нагревается, то она в результате раскручивается. Подобное раскручивание двигает ось, которая в свою очередь, передвигает стрелку по шкале в сторону более высоких показаний. При охлаждении пространственная спираль скручивается и двигает стрелку в сторону более низких показаний.
Геликоид реагирует на изменения температуры
С многоступенчатой спиралью
Некоторые биметаллические термометры используют многоступенчатые спирали. Многоступенчатые пространственные спирали состоят из двух или более концентрических витков (витков внутри других витков), но тем не менее, это один биметаллический элемент. Многоступенчатая пространственная спираль работает по такому же принципу, как и унифилярная спираль. Она раскручивается при увеличении температуры и скручивается при понижении температуры. Многоступенчатая пространственная спираль занимает меньше места чем унифилярная спираль, но она способна обеспечить больший ход стрелки, чем унифилярная спираль аналогичного размера. По этой причине многоступенчатые пространственные спирали используются вместо унифилярных спиралей для измерений температуры внутри очень узких труб, или там, где нет места для погружения биметаллического термометра с более длинной унифилярной спиралью.
Многоступенчатые пространственные спирали
Биметаллический термометр что это
Конструкция биметаллического термометра
Такой термометр имеет круглый корпус, где размещен циферблат и кинематический механизм со стрелкой, а также биметаллический термочувствительный элемент в защитной трубке. Так, чувствительная часть термометра (термобаллон) реагирует на смену температуры, а показывающая часть (циферблат), соответственно, показывает повышение или понижение температуры в окружающей среде.
Принцип действия промышленного термометра
Принцип работы такого агрегата достаточно простой. Он основан на упругой деформации, которая возникает под влиянием температуры двух металлических пластин, прочно соединенных между собой, которые имеют разные температурные коэффициенты линейного расширения. При этом, биметаллическая полоска искривляется в ту сторону материала, коэффициент линейного расширения которого меньше. В результате такой деформации, при помощи кинематического узла, изгиб преобразуется во вращательное движение стрелки, которая, в свою очередь, показывает на шкале термометра измеряемое значение температуры.
Классификация промышленных термометров
Промышленные биметаллические термометры бывают двух видов:
1. Радиальные термометры;
2. Осевые термометры.
Разница между ними лишь в том, что ось циферблата радиального термометра находится под углом 90 градусов по отношению к оси термобаллона, а в осевом термометре ось циферблата полностью совпадает с осью термобаллона.
Другая классификация разделяет биметаллические термометры на:
1. Трубные термометры, которые производят измерение температуры на поверхности труб в отопительных системах;
2. Игольчатые термометры, которые измеряют температуру при погружении специальной иглы-щупа в среду измерения.
Биметаллические термометры
Биметаллические термометры – лучшая альтернатива широко распространенному термометру жидкостного типа. Используются биметаллические термометры для точного измерения температуры в различных, в том числе агрессивных, средах с сыпучей, жидкой и газообразной консистенцией. Именно поэтому они широко применяются в различных сферах деятельности человека: от аквариумных установок и теплиц разного предназначения до атомных электростанций.
В их работе есть только один недостаток, а именно: для определения температуры необходимо немного больше времени, нежели обычному термометру. Однако такой небольшой минус оправдывается более точными результатами измерения. Именно поэтому стоимость таких моделей немного выше, чем цена на любой из типов жидкостных термометров.
Конструкция биметаллического термометра
Три составляющих изделия – это корпус (чаще всего круглый), чувствительный элемент (пружина или пластина), заключенный в латунный термобаллон и штуцер с резьбой, служащий для соединения с предметом, температуру которого необходимо измерять.
Название «биметаллический» термометр получил из-за наличия в его конструкции пружины или спирали из специальной биметаллической (т.е. состоящей из двух разных, сдавленных между собой металлов) ленты. Такая пружина жестко крепится к стенке корпуса одним своим концом, а второй конец без промежуточного элемента проворачивает вал со стрелкой, которая, собственно, и указывает температуру на циферблате.
Принцип работы сводится к тому, что при нагревании разные металлы расширяются по-разному. Соответственно, при изменении температуры свободный конец ленты изгибается, создавая крутящий момент, который передаётся на стрелку.
Если раньше биметаллические термометры были в основном сухого типа, то сейчас всё чаще их корпус заполняется специальной жидкостью. Благодаря ей происходит гашение вибрации стрелки, что, в свою очередь, удлиняет срок эксплуатации и упрощает процесс снятия показаний.
Виды биметаллических термометров
Биметаллические модификации классифицируются по назначению прибора и по конструктивным особенностям.
Виды по назначению
Виды по назначениюПо назначению термометры принято делить на игольчатые и трубные.
Трубные биметаллические варианты изготовлены для проведения измерений температуры внутри любого рода труб, снимая показатель с их поверхности: как в сложных производственных агрегатах и установках, так и в обычной системе отопления.
Что касается игольчатых моделей, то они в свою очередь, применяются для измерения температуры при опускании их в измеряемую среду с помощью иглы-щупа.
Виды по конструктивным особенностям
Термометры промышленного назначения бывают двух типов – это осевые и радиальные.
Важным отличием между ними является только то, что у радиальной конструкции ось, размещенная в циферблате, если смотреть по отношению к термобаллону, находиться под определенным углом (который составляет 90 градусов). А в осевом термометре ось, расположенная в циферблате, четко совпадает с осью расположенной непосредственно в термобаллоне.
При производстве биметаллического термометра не имеет значение, какого именно он вида. Первым делом учитываются условия, в которых они будут в дальнейшем применяться.
Выбор датчика температуры
Биметаллические термометры
Принцип действия биметаллического термометра основан на использовании в его чувствительном элементе двух металлов с различными температурными коэффициентами линейного расширения. Металлические пластины прочно соединяются между собой, в основном путем сварки, и образуют биметаллическую пружину, которая при нагревании расширяется и замыкает контакт или вращает стрелку термометра.
Примерная схема биметаллического электрического контроллера, который применяется в холодильных камерах выглядит следующим образом:
На этом рисунке серый металл расширяется сильнее, чем синий. При повышении температуры это расширение заставляет пластину cгибаться вверх, соприкасаться с контактом, для того, чтобы потек ток по пластине и включился компрессор. Регулируя размер промежутка между пластиной и контактом, можно управлять температурой внутри камеры.
Биметаллические термометры могут быть различных типов. В самой распространенной конструкции длинная свёрнутая спиралью лента из биметалла закрепляется в центре. Другой (внешний) конец спирали перемещается вдоль шкалы, размеченной в градусах. Такой термометр, в отличие от жидкостного (например, ртутного) совершенно нечувствителен к изменениям внешнего давления и механически более прочен.
В настоящее время выпускаются биметаллические термометры в антикоррозийных и взрывозащищенных корпусах, а также вибропрочные и предназначенные для работы в агрессивных средах.
Российского стандарта на поверку биметаллических термометров не существует. Методика поверки утверждается при внесении приборов в Госреестр. Поверка биметаллических термометров выполняется в термостатах методом сличения с эталонным термометром. По разнице показаний эталонного и поверяемого термометра определяется погрешность биметаллического термометра в нескольких точках шкалы и вариация показаний при нагреве и охлаждении термометра. Необходимо отметить, что нормируемые производителем пределы измерений и пределы показаний термометров могут различаться. Погрешность нормируется только в рамках предела измерения, который может быть меньше, чем предел показаний (вся оцифрованная шкала).
Термометр биметаллический считается отличной альтернативой ртутно-стеклянному жидкостному термометру. О проблеме замены ртутников см. публикации:
Как работает биметаллический термометр?
Истоки некоторых отраслей науки отследить практически невозможно. Как, к примеру, можно определить: кто был первым астрономом или математиком. К таким областям человеческого знания можно отнести вероятно и метеорологию. Погода не могла не интересовать человека, тем более в допотопные времена, когда он был гораздо менее защищён от природных катаклизмов. Одной из базовых характеристик погоды является температура.
Для чего измеряют температуру?
Мы привыкли измерять температуру как внутри жилья так и на улице, привычно смотрим на градусник за окном поутру прежде чем выйти из дома, заботясь вопросом о том, надевать ли шарф и перчатки. Спиртовой, ртутный, биметаллический термометр за окном – привычная картина для большинства граждан. Без измерения температуры тела не обходится практически не одно медицинское обследование.
Но метеорологов величина температуры воздуха интересует не только с точки зрения воздействия на наши кожные покровы. От того, насколько прогреты те или иные слои атмосферы, зависит образование воздушных потоков, ветров, которые и формируют погоду континентов.
Измерение температуры в производстве – вообще отдельная тема. Такие процессы как крекинг, полимеризация, кристаллизация и тысячи других химических и физических явлений, используемых на заводах и фабриках, протекают при чётко заданных температуре и давлении. Причём иногда требуется точность в десятые доли градуса. И в этом случае традиционные термометры, использующие эффект расширения тел при нагревании, применять достаточно сложно. Особенно это становится актуальным при работе в сверхнизких температурах, когда большинство жидкостей теряют текучесть. И тут часто приходит на выручку термометр биметаллический – ТБ, как принято писать сокращенно.
Как учились измерять температуру?
Изобретатель термометра достоверно неизвестен. Некоторые исследователи приписывают эту заслугу великому Галилео. Прибор для измерения температуры, созданный им, использовал сжатие-расширение воздуха. Даже шкалы прибор (называли его термоскоп) не имел. С его помощью, наблюдая за движением границы выталкиваемой воздухом жидкости, можно было лишь определить: растёт температура или падает. Точность такого прибора оставляла, мягко говоря, желать лучшего: на его работу существенно влияло атмосферное давление, к тому же граница воды и воздуха, как насыщение воздуха водяными парами, так и растворение воздуха в воде, постоянно «сбивали» настройку.
Позднее в качестве рабочего тела стали использовать жидкости со значительным коэффициентом температурного расширения. Термометры стали значительно точнее, размеры конструкции уменьшились до приемлемых и прибор этот потихоньку начал становиться массовым.
В качестве рабочих жидкостей в таких термометрах применяют ртуть, различные спирты и даже керосин.
Другими более современными и прогрессивными методами измерения температуры являются способы, основанные на электричестве. Известно, что все проводящие электрический ток материалы меняют сопротивление в зависимости от температуры. Спайка некоторых различных металлов при нагревании (термоэлектрическая пара) вырабатывает электрический ток. Эти и другие физико-химические явления легли в основу средств для измерения температуры.
Биметаллические средства
Биметаллический термометр как и жидкостной использует эффект расширения тел при нагревании. Только в качество рабочего тела используются не жидкости или газы, а твёрдые предметы.
Рассмотрим его принцип действия. Возьмём две пластины из разных материалов с разными коэффициентами температурного расширения.
При температуре Т1 размеры пластин будут равны. Но при повышении температуры (до Т2) очевидно, что то изделие, которое сделано из материала с большим коэффициентом расширения, и увеличится больше. Это в случае, если обе пластины сами по себе. Но стоит эти две пластины соединить (клёпка, пайка, горячее прессование и т.д.), как картина изменится.
