Как правильно выбрать термометр

Перед покупкой термометра следует задаться следующими вопросами:

• Нужно ли вам стационарное устройство для мониторинга процесса или переносное устройство для выборочных измерений?
• Будет ли термометр соприкасаться с измеряемым объектом?
• Какой диапазон температур вы будете измерять? Каковы минимальная и максимальная температуры?
• Будет ли температура быстро меняться (необходимое время отклика)?
• Где будет установлен термометр? Есть ли потребность в съемном дисплее?
• Как будет установлен термометр? Какие есть варинаты установки?
• В каких условиях будет использоваться термометр (среда, вибрации, совместимость материалов с агрессивными жидкостями)?
• Нужно ли вам сохранять показания термометра? Иметь выходной сигнал для управления процессом?

Различают два основных типа термометров: контактные термометры, действующие при непосредственном соприкосновении с объектом, и бесконтактные термометры, выполняющие измерения дистанционно.

Контактные термометры

Эти термометры содержат чувствительный элемент, характеристики которого изменяются в зависимости от температуры. Измеренная температура фактически является температурой чувствительного элемента. Измерение температуры проводится, когда между измеряемой поверхностью и чувствительным элементом, встроенным в датчик, наступает тепловое равновесие (то есть датчик и объект измерения имеют одну температуру). Для этого необходимо обеспечить качество контакта между датчиком и объектом и дать им время достичь теплового равновесия.

Существуют различные типы контактных термометров:

• стеклянные
• жидкостные
• газовые
• биметаллические
• электронные (термопары, термисторные термометры, термометры сопротивления) 

Преимущества: в зависимости от конфигурации термометра и датчика возможно измерить:

• Температуру поверхности (при условии качественного контакта между датчиком и поверхностью).
• Внутреннюю температуру при введении датчика в материал
• Температуру жидкости или газа

Недостатки:

• Время отклика достаточно долгое; необходимо дождаться, чтобы термометр и измеряемый объект достигли теплового равновесия.
• Точность измерения зависит от качества контакта между датчиком и измеряемым объектом.
• Максимальная температура ограничена сопротивлением материалов.

Бесконтактные термометры

Бесконтактные термометры позволяют измерять температуру объекта на расстоянии, не прикасаясь к нему. Этот тип термометра использует инфракрасную технологию. 

Преимущества: 

• Измерение происходит мгновенно.
• Бесконтактные термометры совместимы с очень высокими температурами.
• Эта технология используется, например, при измерении температуры агрессивных жидкостей или вращающихся цилиндров.

Недостатки:

• Этот тип термометра позволяет измерять исключительно температуру поверхности, но не внутреннюю температуру.
• Бесконтактные термометры не позволяют измерять температуру газа.

Термометр со стеклянной трубкой производителя SIKA

Термометр со стеклянной трубкой состоит из резервуара, заполненного жидкостью, и капиллярной трубки, находящихся внутри стеклянной трубки.

Функционирование:

Принцип действия термометра со стеклянной трубкой основан на эффекте расширения жидкости. Маленький диаметр капиллярной трубки позволяет преобразовывать небольшие изменения объема, вызванные расширением жидкости, в существенную разницу в высоте жидкости. Градуированная шкала, выгравированная на трубке, позволяет считывать температуру, соответствующую высоте жидкости в капилляре.

Выбор жидкости:

Ртуть долгое время была самой используемой жидкостью, потому что считалась наиболее эффективной. Она не смачивает стекло, имеет широкий диапазон температур, а ее проводимость ускоряет возникновение термического равновесия.

Однако из-за токсичных свойств ртути ее все чаще заменяют другими жидкостями — например, цветным спиртом.

Применение:

Такие термометры до сих пор широко используется в лабораториях и в пищевой промышленности. Существуют как стационарные, так и переносные варианты. В стационарных термометрах для промышленного применения стеклянная трубка заключена в металлический корпус, обеспечивающий большую прочность.

Преимущества:

• Подобные термометры работают без источника питания.
• Они обеспечивают точные измерения.
• Диапазон измерения зависит от используемой жидкости и варьируется от -200°C до 1000°C.
• Они устойчивы к вибрациям.

Недостатки:

• Стеклянная трубка очень хрупкая.
• Время отклика долгое, так как жидкость должна достигнуть теплового равновесия с измеряемым объектом.

Газовый термометр производителя JUMO

Газовые или жидкостные термометры — это аналоговые термометры с циферблатом.

Они состоят из резервуара, расположенного в измерительной трубке, и трубки Бурдона, которые образуют герметичную закрытую систему, заполненную жидким или нейтральным газом под давлением.

Между измерительной трубкой и трубкой Бурдона может быть вставлена капиллярная трубка, за счет чего термометр действует на расстоянии вплоть до нескольких метров от точки измерения.

Под влиянием температуры внутреннее давление системы изменяется, вызывая деформацию трубки Бурдона, которая передается на измерительный элемент в виде иглы через механическую систему.

Преимущества:

• Эти термометры имеют механический принцип действия и не нуждаются в источнике питания.
• Они обеспечивают точное измерение.
• Диапазон измерения зависит от используемой жидкости или газа (от -40 до 400°C для жидкостей, от -200 до 700°C для газов).
• Они имеют быстрое время отклика.
• Дисплей может быть расположен на расстоянии от точки измерения (до нескольких метров) благодаря капиллярной трубке.

Недостатки:

• Механизм этих термометровчувствителен к вибрациям. Взяв за основу принцип действия манометров с трубкой Бурдона, производители предлагают термометры с корпусом, заполненным демпфирующей жидкостью.
• Температура окружающей среды может влиять на измерение.

Биметаллический термометр производителя AMETEK

Существует два типа термометров расширения твердых тел: биметаллические термометры и стержневые термометры-дилатомеры. Принцип действия обоих термометров основан на свойствах теплового расширения металлов.

Стержневые термометры

Чувствительный элемент представляет собой металлический стержень, который расширяется (расширение в длину) в зависимости от температуры. Изменения длины передаются на иглу механической системой.

Биметаллические термометры

Чувствительный элемент состоит из двух разнородных металлических пластин, соединенных между собой спайкой или склеиванием. Этот биметалл представляет собой плоскую или спиральную пружину. 

Так как два металла имеют различные коэффициенты расширения, пластины при одной и той же температуре расширяются по-разному, что приводит к деформации биметалла (изгиб, намотка спирали или пружины). Механическая система передает деформации биметалла на иглу. 

Эти термометры бывают как стационарными — в таком случае они интегрированы в производственную установку, так и переносными (для проведения выборочных проверок).

Преимущества:

• Эти термометры имеют механический принцип действия и не нуждаются в источнике питания.
• Биметаллические термометры дешевле, чем газовые или жидкостные термометры.
• Температура окружающей среды не влияет на измерение.

Недостатки:

• Биметаллические термометры медленно реагируют на изменения температуры.
• Они не позволяют проводить измерения на расстоянии в отличие от газовых или жидкостных термометров с капилляром.
• Эти термометры чувствительны к вибрациям.

Переносной термометр производителя CHAUVIN ARNOUX

Электронные контактные термометры состоят из чувствительного элемента (датчика) и электронной схемы, которая преобразует электрический сигнал от чувствительного элемента в измерение температуры, которое отображается на дисплее.

Существует три типа электронных термометров:

Термометры сопротивления

Электрическое сопротивление металлического проводника изменяется в зависимости от его температуры. Термометры сопротивления изготавливаются путем намотки проволоки с известным электрическим сопротивлением; измерение изменений их сопротивления позволяет определить их температуру.

Для изготовления датчиков используются различные металлы: медь, никель, платина и др. Каждый металл имеет свой диапазон применения. Наиболее известными являются платиновые датчики PT100 и PT1000, сопротивление которых при 0°C составляет 100 и 1000 Ом соответственно.

Преимущества:

• Эти термометры очень точные и используются в качестве эталонных термометров.
• Датчики сопротивления обеспечивают наиболее регулярный сигнал по сравнению с другими электронными датчиками.
• У них широкий диапазон измерений (от -250 до 1100°C в случае платиновых датчиков).

Недостатки:

• Время отклика медленнее по сравнению с термопарами.
• Они обладают высокой стоимостью.
• Датчики сопротивления более громоздкие.

Термисторные термометры

Термистор — это полупроводник (из спеченных оксидов металлов), электрическое сопротивление которого сильно изменяется в зависимости от температуры (в 10 раз больше, чем у платинового датчика).

Различают два типа термисторов:

• NTC (с отрицательным температурным коэффициентом), сопротивление которых уменьшается с повышением температуры; они используются при температуре от -200 до 1000°C,
• и PTC (с положительным температурным коэффициентом), сопротивление которых увеличивается с повышением температуры; они используются при температуре от 0 до 100°C.

Преимущества:

• Термисторные термометры более чувствительны, чем датчики сопротивления.
• Термисторные термометры более компактные, чем датчики сопротивления.

Термометры с термопарой

Термопара основана на эффекте Зеебека и состоит из двух проволок, точечносваренных между собой и изготовленных из различных металлов. Термопара позволяет измерить температуру в месте сварного соединения проволок.

Существуют различные виды термопар, каждая из которых обозначается специальной буквой и состоит из различных пар металлов с присущими им чувствительностью и диапазоном измерений.

Преимущества:

• Термометры с термопарой имеют быстрое время отклика
• Разные пары покрывают широкий диапазон измерений от -270 до 2000°C.
• Эта технология обладает невысокой стоимостью.

Главное достоинство электронных термометров заключается в большом разнообразии конфигураций: стационарные технологические термометры, переносные контрольные устройства, дистанционные датчики и т.д.

Инфракрасный термометр производителя FLUKE

Инфракрасные термометры появились относительно недавно, однако стали широко использоваться во многих областях.

Всякая поверхность излучает энергию в виде инфракрасного излучения. Чем выше температура поверхности, тем больше энергии излучается. В инфракрасном термометре, также известном как пирометр, излучение, испускаемое поверхностью, фокусируется оптической системой и передается в инфракрасный детектор; выходной сигнал преобразуется в измерение, которое отображается на дисплее термометра.

Главным преимуществом инфракрасных термометров является то, что они позволяют бесконтактное и дистанционное измерение. Таким образом, данная технология представляет особый интерес в тех случаях, когда до объекта невозможно дотронуться и не могут быть использованы другие методы измерения: движущиеся объекты (например, вращающийся цилиндр), очень высокие температуры, агрессивная окружающая среда или труднодоступные места.

Инфракрасное измерение является надежным и быстрым. Сегодня эта технология предлагается по доступной стоимости: вы легко сможете найти недорогие термометры для базовых применений.

Эта технология очень распространена, и существует множество моделей и конфигураций для различного использования: стационарные технологические термометры, портативные или карманные термометры для выборочных проверок и измерений.

Эта технология очень проста в использовании, так как для отображения температуры на экране достаточно нацелиться на объект. Тем не менее, необходимо помнить про определенные ограничения:

• Инфракрасный детектор этих термометров работает на фиксированной длине волны, однако для некоторых применений может потребоваться определенная длина волны в зависимости от измеряемого объекта (например, стекло, пламя и т.д.) или состава окружающей среды, которая может исказить измерение (наличие водяного пара и т.д.). Таким образом, производители предлагают термометры, работающие на разных длинах волн, и необходимо убедиться, что выбранная вами модель подходит для желаемого применения.
• Инфракрасное измерение напрямую зависит от излучательной способности измеряемого объекта. Эта физическая величина, значение которой колеблется от 0 до 1, обозначает инфракрасную энергию, излучаемую поверхностью. Инфракрасная энергия излучается всеми объектами и меняется в зависимости от материала, цвета, состояния поверхности и т.д. Поэтому для получения точных показаний необходимо правильно определить излучательную способность объекта и выбрать бихроматический термометр, выполняющий измерения на двух длинах волн.
• Инфракрасный термометр — это оптический прибор, имеющий определенный угол обзора: он измеряет не температуру в определенной точке, а среднюю температуру всех поверхностей в своем поле зрения. Поэтому для получения точного измерения необходимо, чтобы измеряемый объект заполнял все поле зрения прибора. Если же в поле зрения термометра попадают посторонние объекты, то измерение будет искажено. Поэтому инфракрасные термометры, как правило, оснащены оптической или лазерной системой прицеливания.

Преимущества:

• Измерение происходит бесконтактно и дистанционно, что позволяет измерять температуру движущихся, недоступных или небезопасных объектов.
• Измерение возможно при очень высоких температурах (>2000°C).
• Быстрое и надежное измерение.
• Эта технология стала доступной.

Недостатки:

• Эта технология позволяет измерить только температуру поверхности.
• Измерение может искажаться в зависимости от состояния окружающей среды между объектом и термометром (пыль, водяной пар и т.д.). 
• Необходимо учитывать излучательную способность поверхности измеряемого объекта.