КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ И КОНТРОЛЯ ТЕМПЕРАТУРЫ
Температурой называется статистическая величина, характеризующая тепловое состояние тела и пропорциональная средней кинематической энергии молекул тела. За единицу температуры принимается кельвин (К). Температура может быть также представлена в градусах Цельсия (°С). Нуль шкалы Кельвина равен абсолютному нулю, поэтому все температуры по этой шкале положительные. Связь между температурами (по Цельсию и по Кельвину) определяется следующим уравнением, °С:
Температуру определяют косвенно — по изменению физических свойств различных тел, получивших название термометрических.
Для практических целей, связанных с измерением температуры, принята Международная практическая температурная шкала (МПТШ-68), которая является обязательной для всех метрологических органов и основывается на ряде воспроизводимых состояний равновесия (реперных точек) некоторых веществ, которым присвоены определенные значения температуры (рис. 2.1).
Для измерения температуры наибольшее распространение получили методы, которые основаны:
- • на тепловом расширении жидких, газообразных и твердых тел (термомеханический эффект);
- • на изменении давления внутри замкнутого объема при изменении температуры (манометрические);
- • на изменении электрического сопротивления тел при изменении температуры (терморезисторы);
- • на термоэлектрическом эффекте;
- • на использовании электромагнитного излучения нагретых тел. Приборы, предназначенные для измерения температуры, называются термометрами и подразделяются на две большие группы: контактные и бесконтактные.
Рис. 2.1. Международная практическая температурная шкала (МПТШ-68) с реперными точками (выделены полужирным шрифтом)
Контактное измерение температуры
Термометры расширения нашли широкое распространение в практике контактного измерения температуры.
Жидкостные стеклянные термометры конструктивно делятся на палочные (рис. 2.2, а) и технические с вложенной шкалой (рис. 2.2, б). Принцип действия термометров основан на зависимости между температурой и объемом термометрической жидкости, заключенной в стеклянной оболочке. Жидкостный термометр состоит из стеклянной оболочки /, капиллярной трубки 3, запасного резервуара 4 и шкалы 2. Термометрическая жидкость заполняет резервуар и часть капиллярной трубки. Свободное пространство в капилляре заполняется инертным газом, или из него удаляется воздух.
Наиболее широкое распространение получили термометры с ртутным наполнением. Это объясняется свойствами ртути находиться в жидком состоянии в широком диапазоне температур и не смачивать
Рис. 2.2. Жидкостные стеклянные термометры: а — палочный; б — технический с вложенной шкалой;
1 — стеклянная оболочка; 2 — шкала; 3 — капиллярная трубка; 4 — запасной резервуар стекло, что позволяет использовать капилляры с небольшим диаметром канала (до 0,1 мм) и обеспечивать высокую точность измерения.
Стеклянные термометры в зависимости от назначения и области применения делятся на образцовые, лабораторные, технические, бытовые, метеорологические.
Лабораторные термометры обеспечивают измерение в интервале температур 0... 500 °С.
В качестве технических применяются только термометры с вложенной шкалой, которые имеют две модификации: прямые и угловые. При стационарной эксплуатации в различных точках технологических агрегатов термометры устанавливаются в специальных металлических защитных чехлах (кожухах).
Для обеспечения позиционного регулирования и сигнализации в лабораторных и промышленных установках применяются специальные электроконтактные технические термометры двух типов:
- • с постоянными впаянными контактами, которые обеспечивают замыкание и размыкание электрических цепей при одной, двух или трех заранее заданных температурах;
- • с одним подвижным контактом (перемещается внутри капилляра с помощью магнита) и вторым неподвижным, впаянным в капилляр, что обеспечивает замыкание и размыкание электрической цепи при любом значении выбранной температуры. Перемещающаяся в капилляре ртуть размыкает или замыкает
цепи между контактами, к которым подводится напряжение постоянного или переменного тока.
Биметаллические и дилатометрические термометры основаны на свойстве твердых тел в различной степени изменять свои линейные размеры при изменении их температуры.
На рис. 2.3, а представлена конструкция биметаллического термометра, в котором в качестве термочувствительного элемента используется двухслойная пластинка, состоящая из металлов с существенно различными коэффициентами линейного расширения: латуни 1 и инвара 2. При увеличении температуры свободный конец пластины будет изгибаться в сторону металла с меньшим коэффициентом, и по величине этого перемещения судят о температуре.
Данный тип устройств часто используется как термореле в системах сигнализации и автоматического регулирования, а также в качестве температурных компенсаторов в измерительных устройствах.
На рис. 2.3, б приведена конструкция чувствительного элемента пневматического дилатометрического преобразователя температуры.
Рис. 2.3. Термометры: а — биметаллический: 1 — латунь; 2 — инвар; б — дилатометрический: 1 — корпус; 2 — стержень; 3 — трубка; 4 — шарик; 5 — толкатель; 6 — пружина; 7 — преобразователь
В корпусе 1, изготовленном из латуни, расположены трубка 3 и стержень 2, выполненный из инвара. Стержень 2 через трубку 3 и толкатель 5 с помощью пружины 6 постоянно поджимается к нижнему концу корпуса 1. Шарик 4 исключает появление люфтов между стержнем и компенсационной трубкой, которая выполнена также из латуни и предназначена для исключения температурной погрешности при установке на объектах с различной толщиной тепловой изоляции. Изменение разности удлинений корпуса 1 и стержня 2, пропорциональное изменению температуры измеряемой среды, трансформируется в пневматический сигнал в преобразователе 7, усиливается и поступает на регистрирующий прибор.
Жидкостные манометрические термометры (рис. 2.4) основаны на использовании зависимости между температурой и давлением термометрического вещества (газа, жидкости), заполняющего герметически замкнутую термосистему термометра.
Термосистема состоит из термобаллона 4, капилляра 5 и манометрической одно- или многовитковой дружины 6. Капилляр 5 соединяет термобаллон с неподвижным концом манометрической пружины. Подвижный конец пружины запаян и через шарнирное соединение 7, поводок 3, сектор 2 связан со стрелкой прибора 1.
При изменении температуры среды изменяется давление термометрического вещества в замкнутом пространстве, в результате чего чувствительный элемент (манометрическая пружина) деформируется и его свободный конец перемещается. Данное перемещение преобразуется в поворот регистрирующей стрелки относительно шкалы прибора.
В зависимости от термометрического вещества манометрические термометры делятся на газовые, конденсационные и жидкостные.
В газовых термометрах термобаллон, капилляр и манометрическая пружина заполняются каким-либо инертным газом (азотом, гелием и др.). Диапазон измерения широк и лежит в пределах от критической температуры газа (азот — 147 °С, гелий — 267 °С) до температуры, определяемой теплостойкостью материала термо- баллона.
В конденсационных термометрах насыщенные пары некоторых низкокипящих жидкостей (ацетон, метилхлорид, этилхлорид) изменяют давление при изменении температуры. Диапазон измерения этих приборов от 0 до 400 °С при погрешности измерений +1%.
В жидкостных термометрах термосистема заполнена хорошо расширяющейся жидкостью (ртутью, керосином, лигроином и др.). Диапазон измерения приборов от -30 до +600 °С при погрешности измерений ±1%.
Рис. 2.4. Конструкция манометрического термометра:
1 — стрелка; 2 — сектор; 3 — поводок; 4 — термобаллон; 5 — капилляр; 6 — пружина; 7 — шарнирное соединение
