 ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ Сила воли ведет к действию, а позитивные действия формируют позитивное отношение Как определить диапазон голоса - ваш вокал Игровые автоматы с быстрым выводом Как самому избавиться от обидчивости Противоречивые взгляды на качества, присущие мужчинам Вкуснейший "Салат из свеклы с чесноком" Натюрморт и его изобразительные возможности Применение, как принимать мумие? Мумие для волос, лица, при переломах, при кровотечении и т.д. Как научиться брать на себя ответственность Зачем нужны границы в отношениях с детьми? Световозвращающие элементы на детской одежде Как победить свой возраст? Восемь уникальных способов, которые помогут достичь долголетия Классификация ожирения по ИМТ (ВОЗ) Глава 3. Завет мужчины с женщиной
Оси и плоскости тела человека - Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.
| Манометрические термометры
Приборы, служащие для измерения температуры, основаны на измерении физических свойств тел в зависимости от измерения температуры. В зависимости от физических явлений, используемых для измерения температур, существующие приборы можно разделить на следующие группы: 1. термометры расширения; 2. манометрические термометры; 3. термометры сопротивления; 4. термоэлектрические пирометры; 5. пирометры излучения.
Здесь будут рассмотрены лишь основные приборы, широко применяемые при измерении температуры в промышленности. К таким приборам в первую очередь относятся манометрические термометры. Действие манометрических термометров обусловлено зависимостью между температурой и давлением рабочего Вещества, лишенного возможности свободно расширяться при нагревании. Манометрический термометр (рис.1) состоит из помещенного в измеряемую среду металлического сосуда 1 (термобаллона), соединенного капиллярной трубкой 2 (внутренний диаметр 0.1-0,5мм) с чувствительным элементом 3 прибора, устроенным аналогично пружинному манометру. При погружении в агрессивную среду или 5 аппарат, находящийся под высоким давлением, когда смена термобаллона может повлечь за собой остановку агрегата термобаллон устанавливают в защитную гильзу 4 для защиты от механических повреждений капилляр защищается металлической оплеткой 5. Таким образом, манометрический термометр представляет собой замкнутую систему, состоящую из термобаллона, капилляра и манометра, заполненных рабочим веществом. В качестве рабочего вещества применяют газ, жидкость или систему из жидкости с насыщенным паром. Соответственно с этим различают три вида манометрических термометров: газовые, жидкостные и паровые. В качестве рабочего вещества применяют газ, жидкость или систему из жидкости с насыщенным паром. Принцип работы манометрического прибора заключается в следующем. При нагревании термобаллона 1 давление в термометрической системе повышается, вследствие чего многовитковая трубчатая пружина 3 раскручивается и приводит 6 движение перо 5 самопишущего прибора или стрелку показывающего прибора. Перо, перемещаясь по диаграммной бумаге, осуществляет запись текущего значения измеряемой температуры. Чувствительность манометрического термометра зависит от температурного коэффициента объемного расширения рабочего тела. Пределы измерений температуры термометра зависят от температуры затвердевания и кипения рабочего вещества. Газовые манометрические термометры заполняются инертными газами (азот, гелий). Эти термометры позволяют измерять температуру от -50 до +550. Жидкостные манометрические термометры чаще всего заполняются ртутью; верхний предел измерения 550°С. В газовых и жидкостных манометрах рабочее вещество находится под некоторым начальным давлением (от 10 до 50 кг/см2), что позволяет уменьшить влияние атмосферного давления до минимальной величины. Паровые манометрические термометры заполняются легкокипящей жидкостью (этиловый спирт, этиловый эфир) и ее насыщенными парами. Верхний предел измерения этих термометров 220°С. Парозаполненные термометры обладают меньшей температурной инерцией по сравнению с другими манометрическими термометрами и практически не подвержены влиянию температуры окружающей среды. С целью уменьшения влияния температуры окружающей среды на точность показаний прибора следует избегать употребление длинных капилляров. Одно из преимуществ манометрических термометров заключается в возможности дистанционных измерений. Длина капилляра может быть от нескольких сантиметров до 60м в зависимости от места установки вторичного прибора – манометра. В качестве вторичного прибора служит манометр с трубчатой пружиной (типа Бурдона) или с битой (геликоидальной) трубчатой пружиной. Для уменьшения Влияния температуры окружающей среды на точность показаний манометрического термометра применяют специальное компенсационное устройство (рис. 2), которое состоит из компенсационного капилляра б той же блины, что и основной 2, но без термобаллона и вспомогательной трубчатой пружины 5 с той же упругостью и характеристикой, что и основная пружина манометра 3. Вспомогательная пружина оказывает на передаточный механизм 4 противоположное действие основной пружины, компенсируя влияние окружающей среды на показания прибора.
Таким образом, перемещение стрелки указателя прибора будет соответствовать лишь температуре термобаллона. Манометрические термометры имеют ряд достоинств: простота конструкции, виброустойчивость, дешевизна, не требуют источников питания и полная взрывобезопасность. К недостаткам их можно отнести необходимость сравнительно частых поверок и относительную трудность ремонта при поломке капилляра. В самопишущих термометрах применяются дисковые диаграммы с суточной записью. Перемещение диаграмм осуществляется либо часовым механизмом, либо синхронным электродвигателем. Основная допустимая погрешность газовых термометров ±1,5% от предела измерения. Манометрические термометры могут применяться для измерения температуры газа с абсолютным давлением до 60 кг/см. Манометрические термометры выпускаются как без дополнительного устройства так и с дополнительным устройством, предназначенным для сигнализации регулирования или телепередачи. Основные технические данные выпускаемых нашей промышленностью наиболее применяемых для испытаний и исследований манометрических термометров приведены в таблице. Все типы манометрических термометров характеризуются: а) возможностью дистанционного измерения температуры без использования дополнительной энергии; б) надежностью в эксплуатации; в) равномерной шкалой (газовые, жидкостные); г) взрыво-пожаробезопастностью; д) нечувствительностью к внешним магнитным полям. При выборе же типа термометра для конкретных измерений следует учитывать их особенности и связанные с ним погрешности. При эксплуатации всех типов манометрических термометров следует придерживаться двух основных правил: 1. термобаллон должен быть полностью погружен в измеряемую среду, при этом его положение может быть вертикальным, наклонным, горизонтальным; 2. термометр перед использованием и периодически во время опытов следует подвергать проверке в термостате.
Термометры сопротивления
Измерение температур с помощью термометров сопротивления основано на изменении электрического сопротивления проводника с изменением температуры. Зная зависимость сопротивления от температуры, можно по его изменению определить температуру контролируемой среды. Зная зависимость R=f(t) можно по электрическому сопротивлению тела найти его температуру. Таким образом, термопреобразователь, в отличии от термометров расширения, является только датчиком. Комплект прибора состоит из термометра сопротивления тепловоспринимающего элемента (первичный прибор) и электроизмерительного, измеряющего электрическое сопротивление термометра (вторичный прибор) в градусах. Термометры сопротивления лишены ряда недостатков, присущих термометрам расширения и манометрическим термометрам. У них более высокая точность, имеется возможность передачи показаний на большие расстояния и централизации контроля нескольких термометров к одному измерительному прибору - они менее инерционны. Общим недостатком этих термометров является: необходимость в постороннем источнике тока; невозможность точных измерений. Для измерения электрического сопротивления в настоящее время в промышленности применяют почти исключительно автоматические уравновешенные мосты. С помощью термометров сопротивления можно измерять температуру в интервале от -250 до 1000°Сс высокой степенью точности, для температур выше 500°С практичнее пользоваться термопарами. Материал, применяемый для чувствительного элемента термометров сопротивления, должен удовлетворять ряду требований. Он должен быть химически инертным и не изменять своих физических свойств в интервале рабочих температур термометра. Зависимость изменения сопротивления термометра от изменения температуры должна быть близка к линейной. Температурный коэффициент термометра сопротивления должен быть достаточно большим. Материалы, применяемы для чувствительных элементов термометров сопротивления, должны позволять изготавливать термометры в больших количествах с однотипными характеристиками. Приведенным выше основным требованиям, предъявляемым к материалам чувствительных элементов термометров сопротивления удовлетворяет только платина и медь.
Температурный коэффициент сопротивления платины зависит от ее чистоты и тем больше, чем меньше содержится примесей в платине. Чистоту платины принято характеризовать отношением:
Где R0-сопротивление при 0°С, R100-сопротивление при температуре кипения воды, R444,,6 - сопротивление при температуре кипения серы. Для изготовления термометров сопротивления по ГОСТ 6651-59 применяется чистая платина марки «Экстра» с отношением
платина применяется в виде проволоки диаметров от 0,05 до 0,07лш или ленты сечением от 0,002 до 0,005 мм2. Промышленные платиновые термометры сопротивления изготавливаются наинтервалы температуры от -200 до +650°С. Измерение электрического сопротивления изменением температуры подчиняется зависимости: a) для интервала температур от 200 до 0°С R1 = R0[1 + At+ Bt2 + At3 (t– 100) b) для интервала температур от 0 до +650°С Rt =R0(1 + At + Bt2)
где, Rt - сопротивление термометра при температуре t R0 - сопротивление термометра при температуре 0°С А, В, С - постоянные коэффициенты, значения которых определяются градуировкой при температурах: кипения кислорода (182,97°С), кипения воды (100 °С) и кипения серы (444,6 °С).
А= 3,96847 * 10-3
В= -5,84 * 10-7
С = -4,22 * 10-12 Для чистой платины марки «Экстра» медные термометры сопротивления обычно изготавливают из проволоки диаметром 0,1 ммс эмалевой или шелковой изоляцией. Медные термометры сопротивления изготавливаются на интервалы температур от -50 до +180 0С. Измерение электрического сопротивления медного термометра с изменением температуры имеет линейную зависимость и выражается уравнением
Rt = R0(1 + αt)
где α- температурный коэффициент сопротивления меди, равный 4,26 · 10-3
Медные термометры сопротивления подвержены окислению во влажной атмосфере и агрессивных средах, особенно при повышенной температуре. Поэтому следует избегать применения медных термометров в указанных условиях или же применять защиту чувствительного элемента от воздействия агрессивных сред. Чувствительный элемент термометров сопротивления бифилярно наматывается на специальный каркас в виде спирали. Материал каркаса термометра должен обладать хорошими изоляционными качествами, достаточной механической прочностью, жароустойчивостью и не должен оказывать вредного влияния на материал чувствительного элемента термометра. Этим требованиям в известной степени отвечают слюда, плавленный кварц и фарфор. Слюдяные каркасы применяются при температуре до +500 0С, так как при более высоких температурах из слюды выделяется кристаллизационная вода вследствие чего слюда разбухает, расщепляется и теряет свои первоначальные свойства Слюдяные каркасы изготовляются в виде креста или пластинки, снабженных зубчатой нарезкой но кроях, в которой укладывается спираль чувствительного элемента термометра сопротивления. В медных термометрах сопротивления, предназначаемых для измерения температур ниже 100 °С, в качестве материала каркаса применяются различные пластмассы. Соединение чувствительного элемента с зажимами головки термометра осуществляется проводами, материал которых не должен оказывать вредного влияния но материал чувствительного элемента, должен быть химически стойким и не должен развивать значительной Э.Д.С. в паре с проволокой чувствительного элемента в медных термометрах применяются медные выводы, а в платиновых используются выводы из серебряной проволоки. В платиновых термометрах сопротивления, предназначаемых для измерений с повышенной точностью, выводы изготовляются из платины или золота. Чтобы обеспечить нормальную эксплуатацию термометров сопротивления, следует придерживаться несколько основных правил 1. термометры выбирать так, чтобы диапазон его измерений как можно более соответствовал пределам измерения температуры измеряемой среды; 2. при выборе длины термометра учитывать размеры камеры (трубопровода) и место его установки. При монтажной длине более 500 мм и установке в горизонтальном или наклонном положении термометр должен быть дополнительно закреплен во избежание прогиба и вибраций; 3. при выборе глубины погружения термометра учитывая длину 4. при выборе защитной арматуры учитывать свойства измеряемой среды, ее давление и скорость; 5. перед монтажом термометра, а также в процессе его эксплуатации (при исследованиях - перед каждым опытом и при максимальных температурах) проверять целостность чувствительных элементов и сопротивление изоляции с помощью мегомметра с номинальным напряжением 500В. Испытательное напряжение прикладывается между зажимами термометра и корпусом, а для термометров с двумя чувствительными элементами также и между отдельными электрическими цепями. При такой проверке сопротивление электрической изоляции должно быть не меньше указанных в таблице1. Если в результате проверки выявлено, что чувствительные элементы не нарушены, а сопротивление изоляции не меньше допустимого, то следует термометр просушить, после чего снова замерить сопротивление;
Таблица 1 Минимальное допустимое электрическое сопротивление изоляции для термометров сопротивления.
6. к одноточечному вторичному прибору подключается несколько термометров сопротивления только через переключатель типа ПМТ, ПД.
Кроме указанных параметров термометры сопротивления также характеризуются показателем тепловой инерции. Посмотрим влияние этого параметра на выбор и конструирование контактных приборов. При Внесении термометра с начальной температурой tT0 в среду с температурой tc его показания будут изменяться со временем от минимального в начальный период времени (τ=0) до максимального значения при τ=∞. При этом предположим, что термоприемник не оказывает какого-либо влияния на tc=const. В этом случае из условий теплообмена можно записать:
где с - полная теплоемкость теплоприемника; α - коэффициент теплообмена; S - площадь поверхности, соприкасающейся с окружающей средой; Ф=с/ S-тепловой фактор. Если принять τ=ɛ0, то
Следовательно, величина ɛ0 численно равна интервалу времени, по истечению которого при внесении термометра в среду с постоянной температурой разность температуры среды и любой точки чувствительного элемента стала равна 0,37 от первоначальной разности. Эту величину обычно называют показателем тепловой инерции термометра. Отметим, что он характеризует темпы и скорость теплообмена не только термометров сопротивления, но и любого контактного термоприемника со средой.
Из выражения:
видно, что величина ɛ0 зависит от теплового фактора Ф и коэффициента теплообмена α.Изменение формы теплоприемника (шар, цилиндр, спираль с ребрами) при неизменном его объёме удается изменить ɛ0в несколько раз. Однако, при увеличении линейных размеров чувствительного элемента: 1. изменяет условия измерений в пространстве; 2. может нарушить условие: равенство температур во всех точках
ГОСТ 6651-78устанавливает для термометров сопротивления Термопары Явление термоэлектричества, открытое Зеебеком в 1821г., широко используется при измерении температур с помощью термопар (термоэлементов). Этот метод измерения основан на существующей зависимости между термоэлектродвижущей силой, возникающей в цепи, составленной из разнородных проводников, и температурами мест их соединения. Если составить цепь из любого числа разнородных проводников А, В, С,... Nи температуры мест их соединения t1, t2, t3…tn, сделать неодинаковыми, то в цепи возникнет термоэлектродвижущая сила, величина которой зависит от значения температур мест их соединения проводников и их материала. Если же температура мест соединений проводников сделать одинаковыми, то Э.Д.С. в цепи не будет, в какой бы последовательности ни соединялись - проводники. Термоэлектрическая цепь, составленная из двух разнородных проводников, называется термопарой. Спай, помещаемый в среду, температура которой измеряется, называется горячим, а второй спай, температура которого поддерживается постоянной, — холодным, или, как еще его называют, свободным. Термопару с включенным в ее цепь измерительным прибором обычно называют термоэлектрическим пирометром.
В цепи, составленной из двух разнородных проводников А и Бместа соединения которых имеют температуры t и t0(рис. 3) Возникает термо-Э.Д.С. EАВ(t, t0) равная
Здесь через е обозначены результирующие Э.Д.С, то есть Э.Д.С. возникающие вследствие соединения разнородных проводников в местах их соприкосновения, и Э.Д.С, обусловленные разностью температур мест соединения проводников; индексы А и Б обозначают проводники, между которыми образуются Э.Д.С. Порядок написания индексов указывает направление результирующей э. д. с. Очевидно, что при перемене порядка индексов необходимо перед символом еизменить знак. В соответствии с этим выражение
то есть термо - э.д.с., возникающая в цепи, составленной из двух проводников, есть разность функций температур t и t0 мест спаев проводников.Если результирующую э.д.с. ев выражении
обозначить через f(t) то выражение для термо - э.д.с. цепи, показанной на рис. 4, можно записать
Поддерживая температуру холодного спая t0постоянной и вводя обозначение f(t0) = С получим
где t0= const Последняя зависимость находится из градуировочных таблиц термопар, тогда измерение неизвестной температуры t сводится к измерению термо - э.д.с, развиваемой термопарой при поддержании температуры холодного спая t0 неизменной. В промышленных условиях для измерения термо-э.д.с, развиваемой термопарой, применяются автоматические потенциометры и милливольтметры. Описание автоматических потенциометров было дано в предыдущих главах, а описание милливольтметров можно найти в общеизвестной литературе по электроизмерительным приборам [90,102]. Подключение электроизмерительного прибора к термопаре производится либо в разрыв цепи холодных спаев 2(рис. 4а), либо в разрыв одного из электродов термопары (рис. 4б). В первом случае термопара имеет три спая; один горячий 1 и два 2холодных, температура последних должна быть одинаковой и постоянной. Во втором случае термопара имеет четыре спая- один горячий 1, один холодный 2и два нейтральных 8 и 4. Холодный спай должен иметь постоянную температуру t0, а нейтральные спаи 3 и 4 должны иметь одинаковую температуру. Для выполнения этого условия спаи 3 и 4 должны размещаться на одной колонке по возможности ближе друг к другу. При нарушении равенства температур холодных спаев 2 (В случае схемы рис. 4 а) или нейтральных (В случае рис. 4 6) термо - э.д.с. термопары изменяется на величину термо - э.д.с. паразитной термопары, составленной из соединительных проводников в паре с термоэлектродами. Поэтому в цепи пирометра нежелательно применять пробойники, дающие в паре значительные термо - э.д.с. даже там, где условие поддержания постоянства температур относительно выполняется. Обе схемы измерения термо - э.д.с. термопары (рис. 4 а, 5) дают одинаковые результаты при соответственно одинаковых температурах горячих и холодных спаев, так как термо - э.д.с термопары не изменяется от введения в ее цепь третьего проводника если температуры концов этого проводника одинаковы. Чтобы обеспечить постоянство температуры холодных спаев термопары, их отвозят по возможности дальше от зоны высокой температуры и помещают в специальную коробку или термостат, температура которых известна. Перенос холодных спаев термопары в зону с постоянной известной температурой осуществляется при помощи термоэлектродных (компенсационных) проводов, снабженных надлежащей изоляцией; эти провода должны быть термоэлектрически идентичными с наращиваемыми электродами термопары, то есть они не должны давать термо-э.д.с в местах соединения их с электродами термопары. Иногда вся проводка от термопары до электроизмерительного прибора осуществляется термоэлектродными проводами. В этом случае холодные спаи размещаются непосредственно в измерительном приборе. Это значительно облегчает задачу введения поправки на холодные спаи и позволяет автоматизировать ее, как это и делается в автоматических потенциометрах. Как видно из выражения Введение поправки расчетным путем можно производить по формуле:
где, tyк- температура, показываемая прибором; t0 - температура свободных концов, при которой производится градуировка, t1 - действительная температура свободных концов; К-коэффициент, зависящий от типа термопары и от интервала измеряемой температуры. В автоматических потенциометрах, применяемых для измерения термо-э.д.с, компенсация влияния температуры свободных концов термопары осуществляется автоматически путем введения в электрическую цепь потенциометра никелевого или медного сопротивления. Термопары в зависимости от материала электродов подразделяются на две основные группы: термопары из благородных металлов и термопары из неблагородных металлов. Термопара хромель-алюмель хорошо работает в окислительной среде благодаря возникновению при нагреве тонкой защитной пленки окислов, препятствующей дальнейшему окислению металла Термопары хромель-копель устойчиво работают в окислительной среде и менее устойчиво в восстановительной среде до температур 600°С. Термопары железо-копель и медь-копель не получили распространения, ввиду отсутствия у них каких-либо существенных преимуществ по сравнению с термопарой хромель-копель.
Конструкция термопар
При конструировании термопар большое внимание уделяется выбору материала защитной арматуры и изоляции. Арматура термопары должна быть газонепроницаемой, хорошо проводящей тепло, механически стойкой и жароупорной. Кроме того, она не должна при нагревании выделять газов или паров, разрушающих электроды. Для защиты термопар из неблагородных металлов при температурах измерения до 600°С применяют стальные трубы без шва. При измерении температуры до 1100°С применяются трубы из нержавеющей стали. Неметаллические трубы (кварцевые/фарфоровые и т. п.) применяются главным образом для защиты термопар из благородных металлов. Основным недостатком неметаллической арматуры является их механическая непрочность и сравнительно высокая стоимость. При измерении высоких температур в топках и других подобных объектах применяются металлические трубы с водяным охлаждением. Для изоляции термоэлектродов друг от друга применяется асбест - до 300 °С, кварцевые трубки или бусы - до 1000°С, фарфоробые трубки или бусы - до 1300 – 1400 оС. Большое внимание при конструировании термопары обращается на конструкцию головки, которая во многом определяет эксплуатационные качества термопары. На рис.6 приведена хромель-копелевая термопара общепромышленного назначения с водозащищенной головкой и с передвижным фланцем. Защитная труба выполнена из стали 20, либо из стали 1Х18Н9Т. Для трубопроводов и аппаратов высокого давления (до 250 ат) выпускаются малоинерционные термопары с защитной арматурой, выполненной в виде бруса равного сопротивления, что повышает динамическую прочность оболочки, изготавливаемую из стали 2X13 (типа ТХК-200, ТХА-200, ТХК 210, ТХА-210). Для измерения температуры поверхности тела выпускаются так называемые поверхностные термопары.
Выводы:в ходе выполнения этой лабораторной работы я ознакомился с методами измерения температуры и принципами действия датчиков, построенных на основе этих методов. Изучил недостатки и достоинства каждого из методов.
|
с изменением температуры холодного спая термопары меняется ее э.д.с. Это вызывает необходимость введения поправки на изменение температуры холодных спаев, если известна их температура.
истинная температура;