Манометрические термометры расширения

Измерение температуры

Температура (от лат. temperatura – надлежащее смешение, соразмерность, нормальное состояние), физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы, для нас это те агрегатные состояния веществ, температуру которых необходимо измерять на производстве (газообразное, жидкое и твердое). Государственный стандарт предусматривает применение двух температурных шкал. 1. Термодинамическая температурная шкала, выраженная в градусах Кельвина (К). Начальную точку(0) этой шкалы назвали абсолютным нулем из предположения, что агрегатное состояние любого вещества в этой точке не содержит какого- либо тепла, что значит не имеет температуры. Для практического применения такая шкала очень удобна в криогенной технике (сверхнизкие температуры). Для практического применения в повседневной жизни требуется совсем другая более практичная шкала. Такой шкалой была избрана большинством государств шкала в градусах Цельсия (). 2. Международная практическая температурная шкала Цельсия – это основная температурная шкала в международной системе единиц СИ. При создании этой шкалы потребовались опорные точки отсчета (реперные). Для их выбора приняли во внимание такие агрегатные переходы состояния вещества чаще всего мы встречаем в своей жизни, оказалось, что вода замерзает и оттаивает при одной и той же температуре (тройная точка воды0,01 ). Мало того, если кипятить воду при постоянном атмосферном давлении, то она всегда закипает при этом давлении, так была найдена вторая реперная точка температуры кипения воды. Эти две точки позволили провести прямую линию и при том только одну и была найдена третья точка для связки со шкалой Кельвина (-273 )=

(0 градусов К).

Для измерения температуры применяют контактные и бесконтактные методы измерения.

Для реализации контактных (наиболее точных и простых) методов измерения температуры применяются: термометры расширения (стеклянные, жидкостные, манометрические, биметаллические, дилатометрические);
термопреобразователи сопротивления (проводниковые и полупроводниковые);

термоэлектрические преобразователи (термопары).

бесконтактный ( менее точный, но более сложный по принципу действия) метод измерения температуры осуществляется пирометрами.

Термометры расширения стеклянные. На рисунке показаны: а)палочный термометр; б)термометр с вложенной шкалой. Они представляют собой стеклянную капиллярную трубку с резервуаром внизу. При измерении температуры жидкость заполняющая резервуар расширяется и поднимается вверх по капилляру, шкала может быть нанесена на капиллярную трубку (а) или вложена(б)позади капилляра. Термометры заполняются жидкостями имеющими низкую температуру замерзания.

Термометры расширения стеклянныеотличаются точностью, простотой, дешевизной. Недостатки: хрупки, не ремонтнопригодны, не имеют дистанционной передачи показаний.

Биметаллические термометры расширения. Представляют собой устройство, состоящее из двух тонких металлических пластинок соединенных по длине методом диффузии.

Дилатометрический термометр расширения. Принцип действия дилатометрических термометров основан на изменении линейных размеров твердых тел в зависимости от изменения их температуры Термометры, основанные на расширении твердых тел, используют редко. Обычно они изготовляются в виде температурных реле и применяются для электрической сигнализации предельных температур.

Коэффициенты температурного расширения пластинок выбираются под нужный диапазон измерения. Один конец конструкции прикреплен к донышку латунного стакана, другой к стрелочному механизму циферблата. При нагревании конструкция деформируется заставляя механизм управлять стрелкой термометра, при остывании деформации снимаются. Термометр промышленного назначения ТБЛ имеет длину стакана - диапазон измерения (-50до200 ). Состоит дилатометрический термометр из гильзы с глухим донышком выполненной из из трубки 1, изготовленной из металла с большим коэффициентом линейного расширения (латунь, бронза, алюминий). Внутри этой трубки находится стержень 2 из материала с малым коэффициентом расширения. Стержень жестко связан с трубкой через проставку 3, а верхний конец стержня служит опорой для рычага 4, который может поворачиваться вокруг оси 5. Рычаг прижат к стержню пружиной 6 и соединен со стрелкой 7. Трубка термометра при измерении температуры полностью погружается в измеряемую среду. При повышении температуры трубка удлиняется значительно больше, чем стержень, вследствие чего стержень перемещается вниз, одновременно приводится в движение рычаг, а вместе с ним и стрелка.

Точность измерения такими термометрами 1 – 3%.

 

Измерение температуры

Температура (от лат. temperatura – надлежащее смешение, соразмерность, нормальное состояние), физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы, для нас это те агрегатные состояния веществ, температуру которых необходимо измерять на производстве (газообразное, жидкое и твердое). Государственный стандарт предусматривает применение двух температурных шкал. 1. Термодинамическая температурная шкала, выраженная в градусах Кельвина (К). Начальную точку(0) этой шкалы назвали абсолютным нулем из предположения, что агрегатное состояние любого вещества в этой точке не содержит какого- либо тепла, что значит не имеет температуры. Для практического применения такая шкала очень удобна в криогенной технике (сверхнизкие температуры). Для практического применения в повседневной жизни требуется совсем другая более практичная шкала. Такой шкалой была избрана большинством государств шкала в градусах Цельсия (). 2. Международная практическая температурная шкала Цельсия – это основная температурная шкала в международной системе единиц СИ. При создании этой шкалы потребовались опорные точки отсчета (реперные). Для их выбора приняли во внимание такие агрегатные переходы состояния вещества чаще всего мы встречаем в своей жизни, оказалось, что вода замерзает и оттаивает при одной и той же температуре (тройная точка воды0,01 ). Мало того, если кипятить воду при постоянном атмосферном давлении, то она всегда закипает при этом давлении, так была найдена вторая реперная точка температуры кипения воды. Эти две точки позволили провести прямую линию и при том только одну и была найдена третья точка для связки со шкалой Кельвина (-273 )=

(0 градусов К).

Для измерения температуры применяют контактные и бесконтактные методы измерения.

Для реализации контактных (наиболее точных и простых) методов измерения температуры применяются: термометры расширения (стеклянные, жидкостные, манометрические, биметаллические, дилатометрические);
термопреобразователи сопротивления (проводниковые и полупроводниковые);

термоэлектрические преобразователи (термопары).

бесконтактный ( менее точный, но более сложный по принципу действия) метод измерения температуры осуществляется пирометрами.

Термометры расширения стеклянные. На рисунке показаны: а)палочный термометр; б)термометр с вложенной шкалой. Они представляют собой стеклянную капиллярную трубку с резервуаром внизу. При измерении температуры жидкость заполняющая резервуар расширяется и поднимается вверх по капилляру, шкала может быть нанесена на капиллярную трубку (а) или вложена(б)позади капилляра. Термометры заполняются жидкостями имеющими низкую температуру замерзания.

Термометры расширения стеклянныеотличаются точностью, простотой, дешевизной. Недостатки: хрупки, не ремонтнопригодны, не имеют дистанционной передачи показаний.

Биметаллические термометры расширения. Представляют собой устройство, состоящее из двух тонких металлических пластинок соединенных по длине методом диффузии.

Дилатометрический термометр расширения. Принцип действия дилатометрических термометров основан на изменении линейных размеров твердых тел в зависимости от изменения их температуры Термометры, основанные на расширении твердых тел, используют редко. Обычно они изготовляются в виде температурных реле и применяются для электрической сигнализации предельных температур.

Коэффициенты температурного расширения пластинок выбираются под нужный диапазон измерения. Один конец конструкции прикреплен к донышку латунного стакана, другой к стрелочному механизму циферблата. При нагревании конструкция деформируется заставляя механизм управлять стрелкой термометра, при остывании деформации снимаются. Термометр промышленного назначения ТБЛ имеет длину стакана - диапазон измерения (-50до200 ). Состоит дилатометрический термометр из гильзы с глухим донышком выполненной из из трубки 1, изготовленной из металла с большим коэффициентом линейного расширения (латунь, бронза, алюминий). Внутри этой трубки находится стержень 2 из материала с малым коэффициентом расширения. Стержень жестко связан с трубкой через проставку 3, а верхний конец стержня служит опорой для рычага 4, который может поворачиваться вокруг оси 5. Рычаг прижат к стержню пружиной 6 и соединен со стрелкой 7. Трубка термометра при измерении температуры полностью погружается в измеряемую среду. При повышении температуры трубка удлиняется значительно больше, чем стержень, вследствие чего стержень перемещается вниз, одновременно приводится в движение рычаг, а вместе с ним и стрелка.

Точность измерения такими термометрами 1 – 3%.

 

Манометрические термометры расширения

Принцип работы основан на использовании зависимости давления вещества при постоянном объеме от температуры. Замкнутая измерительная система манометрического термометра состоит из чувствительного элемента, воспринимающего температуру измеряемой среды, металлического термобаллона 1, рабочего элемента манометра 2, измеряющего давление в системе, длинного соединительного капилляра 3.

При изменении температуры измеряемой среды давление в системе изменяется, в результате чего чувствительный элемент перемещает стрелку или перо по шкале манометра, отградуированного в градусах температуры. Манометрические термометры подразделяют на три основных разновидности:

 

 

1. жидкостные, в которых вся измерительная система (термобаллон, манометр и соединительный капилляр) заполнены жидкостью; 2. конденсационные, в которых термобаллон заполнен частично жидкостью с низкой температурой кипения и частично – ее насыщенными парами, а соединительный капилляр и манометр – насыщенными парами жидкости или, чаще, специальной передаточной жидкостью;

3. газовые, в которых вся измерительная система заполнена инертным газом.

К недостаткам манометрических термометров относятся: невысокая точность измерения (класс точности 1,6; 2,5; 4,0 и реже 1,0); небольшое расстояние дистанционной передачи показаний (не более 60 метров) и трудность ремонта при разгерметизации измерительной системы. Достоинствами приборов являются простота и дешевизна.

Измерительный мост Уитстонашироко используется при измерении температуры, давления и прочих измерительных схемах. в схеме есть неизвестное сопротивление Rx а (R1.R2. R3) известны. В диагональ (р1р3) включена батарейка. В диагональ (р2р4) включен гальванометр.

 

При сбалансированном мосте выполняется равенство R2/R1=Rx/R3. Если под действием температуры Rx начнет увеличиваться, то стрелка гальванометра отклонится от середины вправо, для ее возврата потребуется увеличить сопротивление R2, движок которого отградуирован в единицах сопротивления (температуры).

Термопреобразователи сопротивления (ТС). Термометры сопротивления предназначены и применяются для измерения температур до 650⁰С., принцип действия которых основан на использовании зависимости электрического сопротивления вещества от температуры. Большинство чистых металлов при нагреве на 1⁰С увеличивают свое сопротивление на 0,4 – 0,6%. Зная данную зависимость, по изменению величины сопротивления термометра судят о температуре среды, в которую он погружен

Выходным параметром устройства является электрическая величина, которая может быть измерена с весьма высокой точностью (до 0,020С), передана на большие расстояния и непосредственно

использована в системах автоматического контроля и регулирования. Для точного измерения в нашей практике используют диапазон до 350 .

В качестве материалов для изготовления чувствительных элементов ТС используются чистые металлы: платина, медь, никель, железо. Следует учитывать, что платина хороший катализатор термохимических реакций, поэтому для платиновых ТС требуется специальное покрытие (напыление золота, остекловывание). Платиновые ТС используются в интервале температур –240 - +630⁰С; медные – в интервале –50 - +180⁰С.

Технические ТС в зависимости от назначения и конструкции делятся на:
погружные, поверхностные и комнатные; защищенные и не защищенные от

действия агрессивной среды; стационарные и переносные; термометры 1-го, 2-го и 3-го классов точности и т. д

 

Устройство двухканального чувствительного элемента показано на рис. А

В одном корпусе размещен двойной термометр сопротивления платиновый ТСП. Один чувствительный элемент используется для регистрации а второй используется в схеме регулирования, либо находится в резерве. Чувствительный элемент (ЧЭ) выполнен из тонкой платиновой проволоки с безиндукционной -

или (бифилярной) каркасной, бескаркасной намоткой, витковые замыкания не допускаются. Устройство термометра сопротивления показано на рис. Б

Пояснения к рисунку(Б):2-керамический каркас с профилированными канавками-1, для укладки платиновой проволоки-3,защитный каркас-4, выводы платиновых электродов-5.

Новым направлением в миниатюризации платиновых термометров стали плоские напыляемые (ЧЭ)-меандры,которые получили защитную оболочку для работы в любых неблагоприятных условиях. Габариты ЧЭ: цилиндр/плоский Ø=13мм;L=5мм;/ (4*4*2)мм

.

Термопары. Термоэлектрические преобразователи Под термоэлектрическим эффектом понимается генерирование термоэлектродвижущей силы (термо ЭДС), из-за разности температур между двумя соединениями различных металлов и сплавов (рисунок а), образующих часть одной и той же цепи.

Конструкция термопары 1-скрутка электродов со сваркой их концов; 2- керамический стакан;3-керамические бусы защита от замыкания; 4-трубча-тый стальной корпус чувствительного элемента тонкостенный; 5-наружная толстостенная часть корпуса чувствительного элемента; 6-монтажный фланец; 7- литой корпус клеммной головки; 8-крышка крепежными винтами; 9-клеммная колодка.

Пояснения к рисунку(а): ttc –горячий спай; txc –холодный спай; А-сплав копеля; В-сплав хромеля термопары ХК, стрелкой показано направление термоЭДС.

Пояснения к рисунку(б): C и D-термоэлектрические провода (С из сплава А), (D из сплава В); Г-гальванометр отклонение его стрелки тем больше, чем выше температура горячего спая относительно холодных концов (а и в). На графике (в) показана зависимость ЭДС термопар от температуры (ХК; ХА). Термопара ХК используется в диапазоне от 350 , (если в распоряжении предприятия есть термометры ТСП) и нет особых требований в диапазоне температур ниже 350 диапазон измерения термопар ХК ограничен температурой 650-700 , это обусловлено тем, что измерять постоянно более высокую температуру невыгодно с точки зрения сруктурных изменений материала во времени. Температуры выше 600 правильнее будет измерять термопарами градуировки ХА которые успешно работают до 1100 , применение термопар в диапазоне до 350 , в этом диапазоне градуировочная характеристика термопар имеет слабую крутизну и плохую линейность, поэтому хотите измерять точнее пользуйтесь ТСП