Туяхов И.А. Практическая метрология

Подождите немного. Документ загружается.

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

Технические ртутные тер-

мометры выпускаются 11 моди-

фикаций со шкалами, ºС: -90/+30,

-60/+50, 0/100, 0/160, 0/200, 0/300,

0/350, 0/450, 0/500, 0/600. Цена

деления шкалы составляет от

0,5ºС(шкала – 30/+50ºС) до 5ºС и

10ºС (шкала 0/600ºС). Форма

нижней части термометра раз-

лична, их изготавливают прямы-

ми (тип А) и угловыми (тип Б с

углом 90 и 135º). При измерении

температур жидких или газовых

сред, находящихся под высоким

давлением от 0,2 до 32 МПа (от 2 до 320 атмосфер) применяют специ-

альные защитные оправы, которые изолируют хрупкое стекло термо-

метра от воздействия высоких давлений.

Технические термометры электроконтактные применяются для

замыкания и размыкания цепи электрического тока с целью сигнали-

зации, регулирования ( в простейших схемах ) температуры в лабора-

торных и промышленных условиях. Принцип действия основан на

способности ртути служить проводником электрического тока. Элек-

троконтактные термометры изготавливают с постоянными впаянными

контактами (рисунок 2.5) или с одним подвижным контактом, кото-

рый можно перемещать внутри капилляра при помощи специального

магнита и вторым неподвижным контактом, впаянным в капилляр

термометра (рисунок 2.6). Термометры с подвижным контактом обес-

печивают замыкание и размыкание электрической цепи при любом

значении выбранной шкалы термометра. Перемещающаяся в капилля-

ре ртуть обеспечивает электрический контакт с впаянными электро-

дами, нагрузка на которых не должна превышать 0,5 мА при напряже-

нии не более 0,3 В.

Специальные ртутные термометры (максимальные) применяются

для фиксирования максимальной температуры атмосферного воздуха

или воды в водоёмах (метеорологические термометры) или для опре-

деления максимальной температуры человеческого тела (медицин-

ские). В этих термометрах используется несмачиваемость стекла рту-

тью и в месте пережима капилляра (рисунок 2.7) происходит разрыв

столбика ртути при охлаждении термобаллона.

Рисунок 2.4 – Метастатический

термометр

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

Определим чувствительность жидкостных термометров, которая

согласно определению будет равна отношению изменения высоты

– h

подъёма термометрической жидкости в капилляре к изменению

Рисунок 2.7 – Ртутный термо-

метр максимальный

Рисунок 2.6 – Схема электрокон-

тактного термометра с подвижным

конта

том

а)

объект

б)

объект

реле

~220

а - в схемах сигнализации; б - в схемах регулирования

Рисунок 2.5 – Электроконтактные термометры

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

температуры (t

– t

(

)

()

−

Для определения S

запишем зависимость изменения объёма тер-

мометрической жидкости от температуры t

и t

⋅(1+β⋅t

);V

⋅(1+β⋅t

);

где V

– объем жидкости в термобаллоне при температуре градуиров-

ки (чаще при t=0°С);

β – коэффициент объемного расширения жидкости, К

-1

;

Изменение объема при увеличении температуры от t

до t

∆V=V

– V

⋅β⋅(t

– t

)

С другой стороны, изменения объема можно выразить через вы-

соту подъема жидкости в капилляре:

∆V=

()

−

где d – диаметр капилляра термометра, м.

Приравняв правые части уравнений, получим:

()

−

⋅β⋅(t

– t

)

Отсюда чувствительность жидкостного термометра определится:

−

Как видно из этого уравнения, при необходимости использовать

термометр с наибольшей чувствительностью, надо выбрать термометр

с большим первоначальным объемом жидкости в термобаллоне и с

маленьким диаметром капилляра. Однако, следует учитывать, что

термометры с большим объемом жидкости в термобаллоне обладают

большой инерционностью, что не позволяет измерять относительно

быстропротекающие тепловые процессы. Термометры с малым диа-

метром капилляра создают трудности для визуального отсчета, и мо-

гут приводить к дополнительной погрешности из – за действия капил-

лярных сил.

2.3 Манометрические термометры

Принцип действия манометрического термометра основан на за-

висимости давления газа или жидкости, находящихся в замкнутой

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

системе, от температуры измеряемой среды. Манометрический тер-

мометр (рисунок 2.8) состоит из термобаллона 1, капилляра 2 и мано-

метрической пружины 3, один конец которой соединен с капилляром,

а другой, запаянный конец пружины, соединен со стрелкой измери-

тельного прибора.

При погружении термобаллона в

измеряемую среду происходит нагре-

вание (или охлаждение) рабочего ве-

щества, находящегося в термобаллоне,

и при этом изменяется давление в тер-

мосистеме. Изменение давления рабо-

чего вещества через гибкий капилляр

передается на измерительный прибор -

манометрическую пружину, свобод-

ный конец которой перемещается и

поворачивает стрелку измерительной

системы.

Инерционность манометрических

термометров зависит в основном от

теплофизических характеристик веще-

ства в термобаллоне и его массы и

практически не зависит от длины ка-

пилляра (т.е. расстояния от объекта до измерительного прибора), так

как сигнал давления передается со скоростью звука в заполняемом

веществе.

Манометрические термометры в зависимости от вида рабочего

вещества, заполняющего термосистему, подразделяются на газовые,

жидкостные и конденсационные (паровые). Термометры могут рабо-

тать при температуре окружающей воздуха от 5 до 60°С и относи-

тельной влажности до 80%. Контролируемая среда (газ, продукты сго-

рания, агрессивные жидкости) может быть агрессивна, поэтому тер-

мобаллон выполняется из специальной стали марки Х18Н10Г. Термо-

баллоны рассчитаны на избыточное давление от 0,4 до 25 МПа (от 4

до 250 атмосфер). Основная допустимая погрешность не превышает

±1,0% для класса точности 1 и ±1,5% для класса точности 1,5. Допол-

нительная погрешность при температуре окружающего воздуха, от-

личной от 20°С (в пределах от 5 до 60°С), не превышает для газовых

термометров 0,5 % на каждые 10°С изменения температуры.

Газовые манометрические термометры типов ТДГ–П,ТДГ–Э,

ТПГ позволяют измерять температуру от –150 до + 600°С. В качестве

Рисунок 2.8 – Манометрический

термометр

объект

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

рабочего вещества используется азот. При постоянном объеме газа

зависимость его давления от температуры определяется уравнением

⋅(1+β⋅t),(2.7)

где Р

– давление газа при температуре 0°С, Па;

β - коэффициент объемного расширения газа, β=

273

При изменении температуры газа в термобаллоне термометра от

нач

, соответствующей началу шкалы, до t

кон

, соответствующей концу

шкалы, будет меняться и давление газа в соответствии с уравнением:

кон

(

)

нач

коннач

t1Р

β+

(2.8)

После несложных преобразований получим уравнение шкалы га-

зового манометрического термометра:

кон

– Р

нач

=Р

нач

⋅

(

)

нач

начкон

β+

−β

(2.9)

Из этого уравнения видно, что размах рабочего давления

ΔР=Р

кон

– Р

нач

в термосистеме газового термометра прямо пропорцио-

нален значению начального давления Р

нач

и диапазону измерения

температур (t

кон

– t

нач

Колебания атмосферного давления практически не влияют на по-

казания прибора, поскольку в термосистеме азот находится при отно-

сительно большом давлении от 0,98 до 4,9 МПа (от 9,8 до 49 атмо-

сфер). Отклонение температуры окружающей среды от градуировоч-

ной температуры, равной +20

С, приводит к изменению температуры

капиллярной трубки и манометрической пружины, в связи с чем при

измерении возникает погрешность, равная

Δt=

– t

),(2.10)

где V

и V

– объем капиллярной трубки и термобаллона, м

;

– температура капилляра.

Из формулы видно, что погрешность измерения может быть

уменьшена за счет увеличения объема термобаллона. Однако чрез-

мерное увеличение объема приводит к возрастанию инерционности

всего прибора из-за низкого коэффициента теплообмена между стен-

ками термобаллона и наполняющим его газом, а также малой тепло-

проводностью самого газа.

Газовые термометры выпускаются с длиной капилляра от 1,6 до

60 метров при длине термобаллона от 125 до 500 мм и применяются

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

для контроля температуры охлаждающей воды, воздуха, жидкого и

газообразного топлива, на установках для получения защитного газа,

на кислородных станциях и на других объектах.

Жидкостные манометрические термометры типа ТЭЖ и ТПЖ

предназначены для измерения температуры от –150 до +300ºC. Для

заполнения термосистемы термометров применяют пропиловый алко-

голь, метаксилол, силиконовые жидкости и др.

Изменение давления в зависимости от температуры для жидкости

в термометре выражается уравнением:

ΔP=

β∆t

,(2.11)

где ΔΡ – изменение давления, Па;

Δt – изменение температуры, К (°С);

β – коэффициент объемного расширения жидкости, К

-1

;

μ – коэффициент сжимаемости жидкости, м

/Н.

Для предотвращения закипания жидкости в термосистеме созда-

ется начальное давление порядка 1,5…2 МПа (15…20 атмосфер).

Инерционность жидкостных манометрических термометров меньше,

чем газовых благодаря большей теплопроводности жидкости. Однако,

погрешности, вызванные колебаниями температуры окружающей сре-

ды, у жидкостных термометров больше, чем у газовых, и определяют-

ся по тем же формулам.

При работе жидкостных термометров необходимо учитывать

гидростатическую погрешность введением поправки, которая прибав-

ляется, если манометрическая пружина находится выше термобалло-

на, или вычитается, если ниже.

Пример 2.2. При измерении температуры продуктов сгорания в

борове нагревательной печи термобаллон жидкостного манометриче-

ского термометра находился на 10 м ниже, чем манометрическая пру-

жина и показывал 270°С. Определить ошибку измерения, если чувст-

вительность прибора S

=0,01 МПа/°С и термосистема заполнена жид-

костью с плотностью ρ=895 кг/м

Прибор будет занижать показание на величину гидростатическо-

го давления жидкости

=ρ⋅g⋅h=895⋅9,81⋅10=0,088 МПа

Ошибка измерения составит

Δt=

088.0

=8,8°С

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

Действительное показание прибора составит

=270+8,8=278,8°С

Конденсационные (паровые) манометрические термометры типа

ТП и ТКП предназначены для измерения температур от –50 до

+300°С. Термобаллон термометра примерно на ¾ заполнен низкоки-

пящей жидкостью, а остальная часть заполнена насыщенным паром

этой жидкости. В качестве жидкости используются: фреон 22

(СНF

Сl) от –25 до 80 °С, пропилен (С

) - от –50 до 60 °С, хлори-

стый метил (СН

Сl) – от 0 до 125 °С, ацетон (С

О) – от 100 до

200 °С, этилбензол (С

) – от 160 до 300 °С

Конденсационные термометры имеют большую чувствитель-

ность, чем газовые и жидкостные, однако, зависимость между темпе-

ратурой и развиваемым давлением в термосистеме нелинейная. Для

линеаризации характеристики и, следовательно, получения равно-

мерной шкалы некоторые типы манометрических конденсационных

термометров (например ТПП2-1) снабжаются специальными устрой-

ствами (компенсаторами).

Показания конденсационных термометров зависят от высоты

расположения термобаллона (выше или ниже) по отношению к мано-

метрической пружине (к корпусу прибора), а также от изменения ат-

мосферного давления. Изменение температуры окружающей среды

практически не оказывает влияния на показания прибора, так как ра-

бочее давление в термосистеме зависит только от диапазона измере-

ния температуры и от изменения давления насыщенного пара от тем-

пературы.

Манометрические термометры отличаются простотой устройства,

возможностью дистанционной передачи показаний (до 60 м) и воз-

можностью их использования в пожаро– и взрывоопасных помещени-

ях и средах. К недостаткам относятся: трудность ремонта при разгер-

метизации системы (особенно при повреждении капилляра), большие

размеры термобаллона, а отсюда и большая инерционность.

2.4 Дилатометрические и биметаллические термометры

Работа дилатометрических и биметаллических термометров ос-

нована на свойстве твердых тел изменять свои линейные размеры при

изменении температуры по уравнению:

ℓ

=ℓ

⋅(1+α⋅t)(2.12)

где ℓ

– длина твердого тела при температуре t, м;

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

ℓ

– длина этого же тела при температуре 0°С, м;

α – коэффициент линейного расширения твердого тела, °С

-1

Дилатометрические термометры применяются главным образом в

качестве первичных измерительных преобразователей в системах ав-

томатического регулирования температуры, а также в системах защи-

ты и сигнализации в различных объектов, где совершаются тепловые

процессы. Термометры этого типа используются сравнительно редко

для измерения температуры из – за невысокой точности и большой

инерционности.

Дилатометрический термометр (рисунок 2.9) состоит из металли-

ческой трубы (чувствительного элемента) 1, внутри которой находит-

ся стержень 2.

Коэффициент линейного

расширения трубы значитель-

но превосходит этот показа-

тель для стержня. В верхней

части прибора размещается

рычажное устройство 3 с кон-

тактной группой 4. При по-

вышении температуры среды

труба удлиняется больше, чем

стержень, вследствие чего

стержень, жестко скреплен-

ный с трубой, перемещается

вниз и при помощи рычага

размыкает контакты при за-

данной температуре. Контак-

ты термометра связаны с

электрической цепью какого – либо устройства (электрической печи,

сигнализатора, реле, регулирующего устройства и др.), которое

включается или отключается в зависимости от установленной темпе-

ратуры на задатчике дилатометрического термометра. Изменение за-

дания осуществляется путем увеличения или уменьшения, расстояние

между рычагом 3 и контактом 4.

Дилатометрические термометры выпускаются на различные диа-

пазоны температур от – 30 до 1000

С и классом точности 1,5 и 2,5 в

зависимости от модификации и интервала температур. Для изготовле-

ния металлической трубы термометра используется сталь или латунь,

а стержень – из инвара, при этом, соотношение коэффициентов ли-

Рисунок 2.9 – Схема дилатометри-

ческого термометра-сигнализатора

объект

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

нейного расширения этих материалов составляет более 20, что значи-

тельно увеличивает чувствительность этих приборов.

В биметаллических термометрах (рисунок 2.10) в качестве чувст-

вительного элемента используется термобиметаллическая пластина 1,

которая состоит из двух слоев разнородных металлов, обладающих

различными коэффициентами линейного расширения (например, ин-

вар - сталь). Эти два слоя жестко скреплены между собой сваркой по

всей плоскости соприкосновения. При нагревании термобиметалличе-

ской пластины последняя изгибается в сторону металла (инвара) с

меньшим коэффициентом

линейного расширения и

при заданной температуре

замыкает контакты 2. Регу-

лирование зазора между

контактами на заданное

значение температуры

осуществляется перемеще-

нием конца однородной

металлической пластины

при помощи винта 3. При

увеличении зазора между

пластинами увеличивается

значение температуры, при

которой реле может вклю-

чать или отключать сило-

вые электрические цепи.

Область применения биметаллических термометров (биметалли-

ческих реле) лежит в интервале от 60 до 300

С в зависимости от мар-

ки используемого биметалла.

Класс точности биметаллических термометров не превышает 2,5.

2.5 Термоэлектрические термометры

Измерение температуры с помощью термоэлектрических термо-

метров основано на физическом явлении термо-ЭДС, которое было

открыто немецким физиком Томасом Зеебеком в1821г.

В электрической цепи, состоящей из двух разнородных провод-

ников, соединённых концами (рисунок 2.11), возникает термоэлектро-

движущая сила (термо-ЭДС) при различной температуре в местах со-

единения проводников. Это явление можно объяснить с точки зрения

объект

регулятору

Рисунок 2.10 – Схема биметаллического

реле температуры

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

электронной теории строения

металла. В каждом металле

имеются так называемые "сво-

бодные" электроны, концен-

трация которых различна для

разных металлов. При контакте

двух металлов, имеющих раз-

личную концентрацию свобод-

ных электронов, произойдёт

явление диффузии, т.е. элек-

троны начнут переходить из

одного металла в другой (ри-

сунок 2.12), создавая контакт-

ную разность потенциалов. Ве-

личина возникшего потенциала

будет зависеть как от природы

самих металлов (т.е. различие в

них свободных электронов),

так и от температуры в месте

контакта. Чем выше температура металла, тем интенсивнее протекает

процесс диффузии электронов из одного металла в другой и поэтому

более высокая разность потенциалов установится в месте соприкосно-

вения металлов.

Если температу-

ра в местах соедине-

ния двух проводников

одинакова, т.е. t

= t

(рисунок 2.11), то

возникающие разно-

сти потенциалов в

этих местах будут

одинаковы, но проти-

воположно направ-

ленными и термоток в

этой электрической

цепи будет равен нулю. Отсюда следует вывод, что для возникновения

электрического тока в цепи, состоящей из двух металлов, необходимы

два условия:

- электрическая цепь должна состоять из двух разнородных про-

водников;

Ме

Рисунок 2.11 – Термоэлектрическая

цепь

Ме

Рисунок 2.12 – Схема диффузии электронов

из одного металла в другой