Поможем в ✍️ написании учебной работы

Имя

Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Выберите тип работыЧасть дипломаДипломная работаКурсовая работаКонтрольная работаРешение задачРефератНаучно - исследовательская работаОтчет по практикеОтветы на билетыТест/экзамен onlineМонографияЭссеДокладКомпьютерный набор текстаКомпьютерный чертежРецензияПереводРепетиторБизнес-планКонспектыПроверка качестваЭкзамен на сайтеАспирантский рефератМагистерская работаНаучная статьяНаучный трудТехническая редакция текстаЧертеж от рукиДиаграммы, таблицыПрезентация к защитеТезисный планРечь к дипломуДоработка заказа клиентаОтзыв на дипломПубликация статьи в ВАКПубликация статьи в ScopusДипломная работа MBAПовышение оригинальностиКопирайтингДругое

Нажимая кнопку "Продолжить", я принимаю политику конфиденциальности

 

Измерение уровня жидкостей и сыпучих тел относится к числу вспомогательных контрольных операций, позволяющих опреде­лять количества жидкости или сыпучего тела в хранилище для учета продукта и сигнализации о переполнении расходных ба­ков и бункеров. Приборы, предназначенные для этой цели, называются уровнемерами широкого диапазона. Эти приборы имеют шкалу с нулем на начале и делениями, идущими от нуля в одну сторону Единицы измерения — сантиметры, деци­метры и метры.

Кроме того, измерение уровня необходимо для поддержа­ния его на заданной высоте. В этом случае приборы показывают величину отклонения уровня от нормального положения И называются уровнемерами узкого диапазона. Шкала прибо­ра имеет нуль посередине и деления, идущие в обе стороны or нуля. Пределы измерений обычно составляют от ±100 до ±150 мм. Единицы измерения в узком диапазоне — сантиметры и миллиметры.

 

5.1. ИЗМЕРЕНИЕ УРОВНЯ ЖИДКОСТЕЙ

 

Устройства для измерения уровня жидкостей можно подразделить на следующие: а) визуальные; б) поплавковые, в которых для измерения уровня используется поплавок или другое тело, находящееся на поверхности жидкости; в) гидростатические, основанные на принципе сообщающихся сосудов со средами одинаковой или различной плотности по сравнению с плот­ностью измеряемой среды; г) электрические, в которых величи­ны электрических параметров зависят от уровни жидкости. д) ультразвуковые, основанные на принципе отражения звуко­вых волн; е) радиоизотопные. основанные па использовании интенсивности потока ядерных излучений, зависящих от уровня жидкости.

Визуальные уровнемеры. Простейшим измерителем уровня жидкости служат указательные стекла (рис 5.1).

Работа указательных стекол основана на принципе сообщающихся сосудов. Указательное стекло соединяют с сосудом нижним концом (для открытых сосудов) или обоими концами (для сосудов с избыточным давлением или разрежением). На блюда я за положением уровня жидкости в стеклянной трубке. можно судить об изменении уровня в сосуде.

Указательные стекла снабжают вентилями или кранами для отключения их от сосуда и продувки системы. В арматуру указательных стекол сосудов, работающих под давлением, обычно вводят предохранительные устройства, автоматически закрыла

ющие каналы в головках при случайной поломке стекла. Пло­ские указательные стекла рассчитаны на давление до 2,94 МПа и температуру до 300 °С.

Указательные стекла не рекомендуется употреблять дли­ной более 0,5 м, поэтому при контроле уровня, изменяющего­ся больше чем на 0,5 м, устанавливают несколько стекол (рис. 5.1, в) так. чтобы верх предыдущего стекла перекрывал низ по­следующего.

Поплавковые уровнемеры. Чувствительным элементом по­плавкового измерителя уровня является поплавок /, плаваю­щий на поверхности жидкости (рис. 5.2).

Поплавок уравновешивается грузом 2, который связан с поплавком гибким тросом 3. Положение груза относительно шкалы определяет уровень жидкости. Пределы измерения устанавливают в соответствии с принятыми значениями верх него 4 и нижнего 5 уровней.

Работа поплавкового электрического уровнемера типа ДИЭ (рис. 5.3) основана па изменении положения поплавка,, связан­ного с постоянным магнитом, при изменении уровня жидкости. Магниты, ориентированные одноименными полюсами один от­носительно другого, обеспечивают при перемещении поплавка управление контактными устройствами через герметичную стенку. При достижении жидкостью верхнего предельного поло­жения нормально-закрытый контакт размыкается, а нормально-открытый замыкается.

Уровнемеры этого типа выпускаются трех модификаций. Первичный преобразователь уровнемера типа ДПЭ-1 состоит из поплавка 7 и магнита 5, закрепленного на оси 6 кронштей­на 4, размещенного в литом алюминиевом корпусе 3. На изо­лированной крышке 2, крепящейся винтами к корпусу датчи­ка, расположен переключатель. В крышке предусмотрено саль­никовое уплотнение / для закрепления кабеля.

Рис 5.3. Поплавковый здектричеекий уровнемер типа ДПЭ-1

Уровнемеры ДПЭ имеют погрешность срабатывания ±3мм. Основной эксплуатационный недостаток поплавков — возмож­ность коррозии и протравления тонких стенок поплавка, при­водящих к его потоплению. Это ограничивает область прим. нения поплавковых измерителей уровня.

Значительно более надежны тонущие поплавки - массивные буйки / (рис. 5.4). При изменении уровня жидкости изме­няется но закону Архимеда действую щая на конец рычага 2 сила (вес буй ка) и соответственно изменяется мо­мент сил. действующих на рычаг Из меняющийся при колебаниях уровня мо­мент сил от буйка / передается через вал 5, закрепленный в донышке в. на трубку 4 и уравновешивается моментом ее скручивания. Изменение угла скручи­вания трубки, пропорциональное вели чине уровня, очень невелико. Поэтому обычно используют усилители 2, чаше пневматические, соединяемые с доныш-

Рис. 5.5, Уровнемер буйкового типа УБ-11.

I -пружина корректора нуля; 2 —Т-образный рычаг; 3 — подвижная опора; I —ивевмо реле; S—сопло: 6 заслонка; 7 — Г-образный рычаг-. Я — сильфов обра-гной связи; 9 -рычаг; 10- чувствительный элемент

Рис. 5.6. Схема трубных соединений с размещением дифманометра ниже дна

резервуара:

а. — при измерении уровня жидкости и открытой резервуаре: " "> *е. '• резервуаре,

находящемся под давлением

ком 6 рычагом 3. Длина буйка / зависит от установленных зна­чений верхнего ВУ и нижнего НУ уровней.

Принципиальная схема уровнемера буйкового пневматиче­ского типа УБ-П показана на рис. 5.5. Уровнемер предназначен для непрерывного преобразования уровня жидкости, находя щейся под атмосферным, вакуумметрическим или избыточным давлением, в пневматический сигнал дистанционной передачи. Он состоит из унифицированного иневмосилового преобразова­теля и измерительного блока.

Измерительный блок датчика представляет собой рычаж­ную систему с чувствительным элементом в виде буйка 10. Бу­ек подвешен к рычагу 9 вывода через призму. Вывод рычага 9 из полости рабочего давления уплотнен одной гофровой метал­лической мембраной. Начальный вес буйка уравновешивается специальным грузом, навинченным на плече дополнительного рычага. Основание имеет фланец, который служит для крепле­ния датчика к объекту. Буйковые измерители уровня использу ют чаше всего как устройства информации в системах автома­тического регулирования, зашиты и сигнализации.

Интервал измерения уровня поплавковых и буйковых уров­немеров выбирают из ряда: от 0 до 0,25; 0.4; 0,6; 1.0; 1,6; 2.5; 4,0; 6.0; 10.0; 16.0 и 20 м. Класс точности может быть 0,6; 1,0; 1,6 И 2,5. Для учетпо расчетных операций уровнемеры приготовляют с основными погрешностями от ±1.0 до 10,0 мм (ГОСТ [3702 -78).

Гидростатические уровнемеры. К. простейшим гидростатиче­ским измерителям уровня жидкости относятся дифференциальпые манометры. Дифманометром можно измерять уровень в открытых и закрытых сосудах, т. е. в сосудах, находящихся под давлением и разрежением. На рис. 5.6 показана схема трубных соединений при измерении уровня в открытом резервуаре и установка дифманометра ниже его дна.

При применении дифманометров для измерения уровня обя­зательно устанавливают уравнительный сосуд, наполненный до определенного уровня той же жидкостью, что находится в ре­зервуаре. Назначение уравнительного сосуда - обеспечение постоянного столба жидкости в одном из колен дифманометра. Высота столба жидкости во втором колене дифманометра из­меняется с изменением уровня в резервуаре. Каждому значе­нию уровня в резервуаре соответствует определенный перепад давления, показываемый дифманометром, что позволяет су­дить о положении уровня.

Пьезометрические уровнемеры. Они основаны на принципе гидравлического затвора.

Для измерения уровня (рис. 5.7) используют воздух или инертный газ под давлением, который продувают через слой жидкости. Количество продуваемого воздуха ограничивают диафрагмой О или иным способом гак. чтобы скорость движе­ния его в трубопроводе была минимально возможной. Это при­ближает к нулю потери на трепне в трубопроводе после диа­фрагмы !).

Уровень жидкости определяется по установившемуся давле­нию (Р Р_х) в системе

Давление (Р--Р_к) определяется по высоте h столба жид­костного манометра с замыкающей жидкостью плотностью и,, или любым иным способом. В случае измерения уровня в со­судах, заполненных агрессивными жидкостями и газами (рис. 5.7,6) обязателен непрерывный подвод воздуха или инертного газа в обе линии, подсоединяемые к дифференциальному мано­метру. Для наблюдения за непрерывностью на каждой линии

Рис. 5.К. Схема ними

измерения емкостными уровнеме-

уста на влипают стеклянные контрольные сосуды КС с водяным затвором, по ко­торому видно движение воздуха, или ротаметры. Количество подводимого воз­духа устанавливают регулирующими вентилями РВ.

Пьезометрические уровнемеры находят широкое применение для измерения уровня в подземных резервуарах.

Электрические уровнемеры. В электрических уровнемерах уровень жидкости преобразуется в электрический сигнал. Наи­более распространены емкостные и омические уровнемеры.

Работа емкостных уровнемеров основана па том, что ди­электрическая проницаемость водных растворов солей, кислот и щелочей отличается от  диэлектрической проницаемости воз-iyxa либо водных паров.

Принципиальная схема емкостного уровнемера показана на рис 5.8. В сосуд с жидкостью /, уровень которой необходимо измерить, опущен электрод 2. покрьпый изоляционным мате-юм. Электрод вместе со стенками сосуда образует цилинд­рический конденсатор, емкость которого изменяется при коле баниях уровня жидкости. Величина емкости измеряется элект­ронным блоком 3. который дает сигнал в блок 4, представляю­щий собой релейный элемент (в схемах сигнализации достиже­ния определенного уровня) пли указывающий прибор (в схе-нзмерения уровня). Принцип действия омических сигнализаторов основан на замыкании электрической цепи источника питания чер.ез контролируемую среду, пред­ставляющую собой участок электрической цепи, обла­дающей определенным оми­ческим      сопротивлением (растворы кислот и щело­чей). Практически омиче­ские сигнализаторы уровня могут быть применены для сред с проводимостью от 2- 10~³ См п выше.

Прибор представляет со­бой электромагнитное реле, которое включается в цепь, обра­зующуюся между электродом л контролируемым материалом. Схемы включения релейного сигнализатора уровня (рис. 5.9) могут быть различны в зависимости от типа объекта и числа контролируемых уровней.

Радиоизотопные уровнемеры. Уровнемеры с радиоизотоп­ными излучателями делятся на две группы: I) со следящей си­стемой, для непрерывного измерения уровня, и 2) сигнализа­торы (индикаторы) отклонения уровня от заданного значения.

Принципиальная схема следящего уровнемера типа УР при­ведена на рис. 5.10. Действие прибора основано на сравнении ннтенсивиостей потоков у~^лУ^чеи. проходящих выше или ниже уровня раздела двух сред разной плотности. Комплект прибора состоит из трех блоков: 1) преобразователя, содержащего ис­точник и приемник излучения; 2) электронного блока и 3) по­казывающего прибора.

Преобразователь на фланцах 4 присоединен к вертикаль­ным трубкам 2, установленным внутри объекта измерения. Рас­положенный в герметичном корпусе преобразователя реверсив­ный двигатель 6 через червячную передачу 7 вращает бара­бан 8, на котором укреплена стальная лента ,Т. На концах лен­ты свободно висят источник излучения / и приемник излуче­ния 13. Электрический сигнал от приемника излучения через гибкий кабель // передается на электронный блок. При пере­мещении приемника кабель фиксируется в определенном поло­жении при помощи ролика 14 с грузом. Лента 3 проходит че­рез зубчатый ролик 9, на осп которого расположен первичный сельсин 10.

Вторичный сельсин находится в показывающем приборе. Ось вторичного сельсина через редуктор связана со стрелками показывающего прибора 12. который имеет две шкалы, гра­дуированные в метрах и сантиметрах. В показывающем прибора

Рис. 5.11. Блок-схема ультразвуко-

• ! вого уровнемера

I

I

-------II

^s \ \ ре имеется преобразова-! тель, преобразующий угло-[ вое перемещение оси вто-______J ричиого сельсина, пропор­циональное      положению уровня, в стандартный пневматический сигнал. Стандартная индукционная катушка служит для связи с вторичными прибо­рами дифференциально-трансформаторной системы.

Для обеспечения радиационной защиты персонала при транспортировке, монтаже и ремонтных работах внутри объек­та измерения источник излучения переметается автоматически в свинцовый контейнер 5. Отверстие в контейнере при этом за­крывается свинцовой пробкой 15, жестко связанной с источни­ком. Диапазон измерения уровня прибором до 10 м, основная погрешность измерения не превышает 1 см.

Использование приборов с радноизотоннымн излучателями целесообразно там, где другие методы измерения непригодны. Ультразвуковые уровнемеры. Ультразвуковые уровнемеры позволяют измерять уровень в отсутствие контакта с измеряе­мой средой и в труднодоступных местах. В ультразвуковых уровнемерах обычно используется принцип отражения звуко­вых волн от границы раздела жидкость — газ (воздух).

На рис. 5.11 показана блок-схема ультразвукового уровне­мера, работающего на отражении звука от границы сред. При­бор состоит из электронного блока, пьезоэлектрического излу­чателя (преобразователя) и вторичного прибора (автоматиче­ского потенциометра).

Электронный блок ЭБ состоит из генератора /. задающего частоту повторения импульсов, генератора импульсов 2, посы­лаемых в измеряемую среду, приемного усилителя 4 и измери­теля времени 5. Генератор / управляет работой генератора 2 и схемой измерения времени. Частота импульсов 300 Гц. Гене­ратор 2 формирует короткие импульсы для возбуждения пьезо­электрического излучателя 3. Электрический импульс, преобра­зованный и ультразвуковой в пьезоэлектрическом излучателе, распространяется в жидкой среде, отражается от границы раз­дела жидкость — воздух, возвращается обратно, воздействуя спустя некоторое время па тот же излучатель, п преобразуется в электрический. Оба импульса, посланный и отраженный, раз­деленные во времени, поступают на усилитель.

Время т между моментом посылки импульса и моментом поступления отраженного импульса является функцией высо­ты измеряемого уровня, т. е.

 И — высота измеряемого уровня; с - скорость распространения у.и.тразву-76

ка в измеряемой среде; при любой температуре воды скорость распростране­ния ультразвука с= 1557-0.0245(74-/°)².

Постоянное напряжение, пропорциональное времени запаз­дывания отраженного сигнала (уровню), получаемое в изме­рителе времени, подается на вторичный прибор 6.

5.2. ИЗМЕРЕНИЕ УРОВНЯ СЫПУЧИХ ТЕЛ

Измерение уровня сыпучих тел имеет свои особенности. Харак­терным отличием сыпучих тел от жидких является непропор­циональность передачи давления на дно и стенки в зависимо­сти от уровня.

На рис. 5.12 показан указатель уровня с металлической мембраной. Он состоит из металлической мембраны / с закреп­ленным по центру штоком 2. При прогибе мембраны шток воз­действует на контактное устройство 3. На кронштейне 4 за­креплена возвратная пружина 5. Для регулирования натяже­ния возвратной пружины служит винт 6. Изолятор 7 крепится в корпусе сигнализатора 6*. При понижении уровня возвратная пружина 5 возвращает мембрану и контактное устройство в ис­ходное положение.

Свойство сыпучих материалов образовывать при насыпании угол естественного откоса позволило создать серию маятнико­вых приборов, работающих на принципе отклонения материа­лом чувствительного элемента, выполняемого в виде маятника, с жесткой или гибкой подвеской. На рис. 5.13 показан указатель предельно го уровня сыпучего материала. При по­вышении в бункере / уровня сыпучего материала 2 с углом естественного от­коса чувствительный элемент 3 отклоня­ется от вертикального положения и за­мыкает контактную систему 4 включе­ния световой сигнализации 5. Общим недостатком всех указателей уровня ма­ятникового типа является их зависи­мость от способа загрузки сосуда (бун­кера) материалом. Например, при бес­порядочной загрузке, когда материал может обтекать маятник со всех сторон, может не произойти ожидаемого откло­нения маятника.

Принципиальная схема лотового уровнемера показана на рис. 5.14. В этих уровнемерах зонд 6 и груз 8 под­вешены на блоке храпового колеса 4.

Рис. 5.!2. Указатель уровня с металлической мем­бранной

 

Рис. 5-13. Указатель уровня маятников типа

,₂ Периодически зонд приподнимается при помощи пневматического мембранного привода 2. Привод воздействует на хра­повое колесо через собачку 3. Зонд опу­скается на поверхность сыпучего мате­риала 7 под действием силы тяжести.

Если уровень не изменяется, то зонд поднимается и опускается на одно и то же расстояние. При понижении уровня материала зонд опуска­ется на большее расстояние, чем поднимается, и наоборот. При этом храповое колесо с осью 5 в одном направлении поворачи­вается на больший угол, чем при повороте в обратном направ­лении. Ось 5 через муфту 10 и поводок // соединена с пневмо-преобразователем 12. Устройство прибора рассчитано так, что при изменении уровня в заданных пределах давление сжатого воздуха на выходе прибора изменяется от 20 до 100 кПа. Сжа­тый воздух с выхода пневмопреобразователя 12 подается па вторичный прибор (манометр) 9, шкала которого отградуиро­вана в единицах высоты уровня. Рассмотренный уровнемер поз­воляет измерять уровень до 20 м с погрешностью ±10 см.

Рис. 5.14. Принципиальная схема лотового уровнемера

 

 

Рис. 5.15, Весовой измеритель уровня:

I опора; 2 бункер; 3— поршень

В качестве первичного пре­образователя уровнемера, ра­ботающего па весовом прин­ципе (рис. 5.15), можно ис­пользовать месдозу. Месдоза представляет собой металли­ческий кожух с закрепленной в нем мембраной. Нижняя часть месдозы заполнена жид­костью, сообщающейся с ма­нометром через импульсную трубку. При изменении веса материала в бункере изменя­ется давление в системе месдоза — манометр.  Недостатком данного принципа измерения является необходимость в не­котором перемещении опоры бункера (от 1 до 3 мм). Погрет НОСТЬ измерения достигает ±10%.

ГЛАВА 6

 

КОНТРОЛЬ ТЕМПЕРАТУРЫ

 

6.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРИБОРОВ КОНТРОЛЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

 

Температура является одним из важнейших параметров хнми-ко- технологических процессов.

По современным представлениям температура — ^то услов­ная статистический величина, прямо пропорциональная средней кинетической энергии частиц вещества (молекул или атомов). Практически температуру можно измерять лишь методом сравнения нагретости двух тел. причем степень нагретости од­ного из тел предполагается известной. Для сравнения степени нагретости тел используют изменение какого-.тибо физическо­го их свойства, зависящего от температуры и легко поддаю­щегося измерению. Установление единицы измерения темпе­ратуры связано с установлением температурной шкалы. Допу­скается применение двух температурных шкал: абсолютной термодинамической в градусах Кельвина (К) и международ­ной практической в градусах Цельсия (°С) в зависимости от начала отсчета (положение нуля) но шкале. Абсолютную тем­пературу обозначают буквой Т. а температуру по шкале Цель сия и ^г =273,15 К. Например, если температура, измеряемая в градусах Цель­сия, равна 7(1 С, то по абсолютной термодинамической температурной шкале она равна

Г 70 273,15 -- 343,15 К.

Международная практическая температурная шкала (МПТШ—68), принятая в 1968 г. и введенная как обязатель­ная с 1 января 1971 г., является практическим осуществлени­ем абсолютной термодинамической температурной шкалы. Она выбрана так, чтобы температура, измеренная по этой шкале, была близка к термодинамической температуре и разность между ними оставалась в пределах современной точности из­мерений. МПТШ— 68 основывается па системе постоянных, точно воспроизводимых температурах равновесия (постоянных

! к), которым присвоены числовые значения.

Определяющие постоянные точки МПТШ—68 приведены в табл. 6.1

Классификация приборов для измерения температуры. В за­висимости от принципа действия приборы для измерения тем­пературы по ГОСТ 13417- 76 подразделяются на следующие группы:

Tuft ищи 6.1 Определяющие постоянные гонки МПТ ill 68

При военное шаченне мр жду народной практиче­ски оин г . i .                                         _____ской И'Уни'рачуры

г .... к           :. с

Равновесие между Твердой, жидкой и газообраi-ной фазами равновесного водорода (тронная точ-

-,< равновесного водорода) Равновесие межд> жидкой и газообразном фаза ми равновесного водорода при давлении 33330.6 Па (25/75 нормальной атмосферы) Равновесие между жидкой и газообразной фаза­ми равновесного водорода (топка кипения равно­весного водорода)

Равновеси «ежду жидкой и газообразной фаза­ми неона (точка кипения пеона! Равновесие межд) твердой, ЖИДКОЙ и  газообраз поп фазами кислорода (тройная точка кислор i Равновесие между жидкой и газообразной фазами ipo.i (• а кипения кислорода)

Р HOW  МСЖД\ П Р 011 / I'. :■■ I и   ЮОбра*

НОЙ фазами воды (тройная гочкн ВОДЫ) Равновесие           .i ikoiI и па юбразной > Ь а ,ч а -

411 воды (точка кипе пи воды]

Равновесие между твердой и жидкой фазами цин­ка (точка затвердевания цинка) Равпонееие между твердой и жидкой фазами се­ребра (точка затвердевания серебра) Равпонееие между твердой и жидкой фазами зо­лота (точка затвердевания юлога)

Манометрические термометры основаны на изменении дав­ления рабочего вещества при постоянном объеме с изменени­ем температуры.

Термоэлектрические термометры включают термоэлектриче­ский преобразователь (ТЭП), действие которого основано на использовании зависимости термоэлектродвижущеЙ силы от температуры.

Термометры сопротивления содержат термопреобразоватедь сопротивления, действие которого основано на использовании зависимости электрического сопротивления чувствительного элемента (проводника или полупроводника) от температуры.

Пирометры излучения, из них наиболее распространены: к в а з и м о и о х р о м а т и ч с с к и й п и р о м е т р, действие ко­торого основано на использовании зависимости температуры 01 спектральной энергетической яркости, описываемой для аб­солютно черного тела с достаточным приближением уравнения­ми Планка и Вина;

пирометры спектрального о т и о ш е и и я, дейст­вие которых основано на зависимости or температуры тела от­ношений энергетических яркостей в двух или нескольких спектральных интервалах;

и и р о м с т р ы п о л н о г о п з л у ч е н и я, действие которых основано на использовании зависимости температуры от интег-ральной энергетической яркости излучения.

6.2. ТЕРМОМЕТРЫ РАСШИРЕНИЯ И МАНОМЕТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ

Термометры расширения. Это такие приборы, в которых ис­пользуется наблюдаемое при изменении температуры измене­ние объема пли линейных размеров тел. В зависимости от ви­та термометрических веществ термометры расширения подраз­деляются на жидкостные и термометры, основанные на расши­рении твердых тел.

Измерение температуры жидкостными стеклянными термо­метрами основано па различии коэффициентов объемного рас­ширения жидкости и материала оболочки термометра Пока­яния жидкостного термометра принято характеризовать ко­эффициентом расширения жидкости в стекле, определяемым уравнением

где Р температурный коэффициент расширении жидкости в интервале температур температурным коэффициент расширения стекла в том же интервале температур.

Для изготовления термометров применяют стекла специаль­ных сортов (термометрические), обладающие малым значени­ем коэффициента В зависимости от интервала измеряемых температур в ка­честве рабочей жидкости в жидкостных термометрах применя­ют нентан (от —190 до 20°С), петролейный эфир (от —130 до 25 °С). этиловый спирт (от —100 до 75°С), толуол (от —90 до 100°С) и ртуть (от —30 до 700°С).

Наибольшее распространение получили ртутные стеклянные термометры. Коэффициент расширения ртути мало изменяет­ся при изменении температуры, поэтому шкала ртутного тер­мометра до 200°С практически линейна. Термометры с орга­ническими жидкостями из-за ряда недостатков применяют только для измерения низких температур. Из всех таких тер­мометров наибольшее распространение получили спиртовые.

Несмотря на большое разнообразие конструкций, все жид­костные стеклянные термометры относятся к одному из двух основных типов: палочные (рис. 6.1) и со вложенной шкалой (рис. 6.2).

Палочные термометры имеют толстостенный капилляр на­ружным диаметром 6—8 мм. нижний конец которого образует

Рис. 6.1. Палочный термометр расширения

Рис. 6.2. Термометр расшире­ния с пложенной шкалой резервуар для жидкости. Шкалу на­носят на внешнюю поверхность ка­пилляра. Термометры со вложенной шкалой имеют тонкостенный капил­ляр с расширенным резервуаром для ртути. Шкалу наносят на пластинку из молочного стекла, которая вместе С капилляром заключена в стеклян­ную оболочку, прикрепленную к ре-червуару термометра. пические. Образцовые термометры 1-го разряда изготовляют только палоч­ного типа, а образцовые 2-го разряда и лабораторные — палочного тина или со вложенной шкалой. Технические [ термометры изготовляют только со вложенной шкалой. Технические и ла­бораторные термометры могут .иметь шкалы с различными пределами.

Разновидностью ртутных являют­ся контактные термометры, использу­емые в основном для сигнализации о нарушении заданного температурного режима. На рис. 6.3. а показан одно­контактный термометр с контактами из платиновой проволоки, впаянными в нижнюю часть капилляра на уров­не отметки, соответствующей той тем­пературе, о которой нужно сигнализи­ровать или которую необходимо под­держивать постоянной. К контактам припаяны проводники из медной проволоки, которые через соответствующие реле вклю­чены в пень электрического нагревателя или сигнализации. В тот момент, когда оба контакта соединяются столбиком ртути, происходит замыкание электрической цепи реле, которое вы­ключает электрический нагреватель или включают сигнализа­цию.

Контактные термометры бывают с двумя и тремя кон­тактами, с переменным положением верхнего контакта и т. д.

N Если термометр, градуированный при полном погружении в среду по условиям эксплуатации не может быть полностью погружен в измеряемую среду, то резервуар его и жидкостный столбик будут находиться при разных температурах. Поправ­ку на выступающий столбик вычисляют по формуле

где п — число градусов на выступающем столбике; &/,./, — коэффициент рас­ширения жидкости в стекле (для ртути 0,00016. дли спирта 0.001): 1₂ — темпе-гура, показываемая термометром: t \— средняя температура выступающего столбика, измеряемая вспомогательным термометром, резервуар которого при­креплен к середине выступающего столбика основного термометра.

Если температура выступающего столбика ниже измеряе­мой, то поправка < Lt имеет положительный знак, а если вы­ше— отрицательный. Ошибки, вызванные выступающим стол­биком, могут достигать значительной величины, и пренебрегать

ими не следует.

Ртутные стеклянные термометры широко применяют в ла­бораторной и производственной практике.

Биметаллические термометры. Чувствительным элементом таких термометров является биметаллическая пластинка. Обычно внутренний слой этой пластинки изготовляют из ме­талла, имеющего большой коэффициент линейного расширения, а наружный из металла с малым коэффициентом (из инвара). При повышении температуры пластинка разгибается. Деформа­ция пластинки через тягу, зубчатый механизм и шестеренку передается стрелке. Верхний предел измерения этих термомет­ров ограничивается пределом упругости материалов. Основная область их применения — автоматическое регулирование тем­пературы и сигнализация предельных значений температур.

Биметаллические элементы применяют также для защиты электрических испей от перегрузок. В этом случае биметаллическая пластинка при повыше­нии тока нагрузки сверх допустимого значения деформируется и разрывает электрическую цепь пускателя, отключающего нагрузку.

Манометрические термометры. Действие манометрических термометров основано на изменении давления рабочего веще­ства, заключенного в емкость постоянного объема, при измене­нии его температуры (рис. 6.4).

Прибор состоит из термобаллона /, капиллярной трубки 2 и манометрической части 3—6.

Всю систему прибора (термобаллон, капилляр, манометри­ческая пружина) заполняют рабочим веществом. Термобаллон помещают в зону измерения температуры. При нагревании термобаллона давление рабочего вещества внутри замкнутой системы увеличивается. Увеличение давления воспринимается манометрической пружиной, которая воздействует через пере­даточный механизм на стрелку или перо прибора.

Манометрическая пружина выполняется как в виде одио-нли многовнтковой пружины, так и в виде сильфона (как у следующих типа)

 

Рис. 6.4. .Манометрический термометр с трубчатой пружиной:

 

рассмотренных выше манометров). Дли­на и диаметр термобаллона могут быть различными. Термобаллоны обычно из­готовляют из стали или латуни, облада­ющей высокой теплопроводностью, а ка­пилляр — из медной или стальной труб­ки с внутренним диаметром от 0,15 до 0,5 мм. Длина капилляра может быть различной (от 0.25 см до 60 м). Для за­щиты от механических повреждений ка­пилляр часто помещают в защитную оболочку из оцинкованного стального провода.

Манометрические термометры широ­ко применяют в химических производст­вах. Этими приборами можно измерять температуру в интервале от —120 до 600 "С.

Различают манометрические термометры нов:

газовые, вся система которых заполнена газом под некото­рым начальным давлением. В качестве заполнителя термоси­стем в газовых манометрических термометрах применяют азот, аргон, гелий;

жидкостные, система которых заполнена жидкостью; в ка­честве заполнителя используют полиметилсилоксановые жидко­сти;

конденсационные, в которых термобаллон частично запол­нен низкокипящей жидкостью, а остальное его пространство заполнено парами этой жидкоеги. В конденсационных мано­метрических термометрах термосистемы заполняют ацетоном, метилом хлористым, фреоном.

Устройство манометрических термометров всех типов ана­логично. Они бывают показывающими, самопишущими и кон­тактными. Основная погрешность манометрических термомет­ров всех видов равна ±1,5% от максимального значения шка­лы при нормальных условиях. При отклонении условий от нор­мальных возникают дополнительные погрешности, которые рассчитывают пли компенсируют.

Работа газового манометрического термометра основана на законе Шарля, устанавливающего прямую зависимость между давлением и температурой идеального газа

 

Шкала термометра получается равномерной, что является его преимуществом. Отклонение температуры окружающей сре­ды от —|—20°С вызывает погрешность измерения, которую мож­но рассчитать по приближенной формуле

M_M =-( V »/ V ₆ ) (!„-'„),                              (6.4)

где Ум — объем манометрической пружины; Vn — объем тер.чобаллопз; /»,— температура среды, окружающей манометр, °С; 1„ — температура градуировки прибора (20 С). .

Погрешность от нагревания капиллярной трубки

Ы*=*(Уя1Уд(*ж—*ш),                               (6. S )

где V,, объем капиллярной трубки; I , — температура среды, окружающей капилляр, "С.

Из- формулы (6-5) видно, что погрешность возрастает про­порционально объему, а следовательно, и длине капилляра. Ее можно уменьшить, увеличив объем термобаллона при той же длине капилляра. Обычно объем термобаллона составляет 90% общего объема термометра. При правильно выбранном соот­ношении объема термобаллона, капилляра и трубчатой пру­жины термометры с достаточной точностью могут работать без температурной компенсации при длине капилляра до 40 м.

Во всех случаях при эксплуатации необходимо предохра­нять манометр и капилляр от действия теплового излучения окружающих нагретых предметов.

Иногда для компенсации погрешностей от колебания тем­пературы манометра применяют компенсационное устройство в виде биметаллической спирали, встроенной в передаточный \ме-ханизм манометра. Биметаллическая спираль при изменении температуры манометра действует в обратном направлении относительно основной пружины.

К специфическим недостаткам газовых манометрических термометров относится их значительная тепловая инерция, обу­словленная низким коэффициентом теплоотдачи от стенки тер­мобаллона к наполняющему его газу и малой теплопровод­ностью последнего.

Действие жидкостных манометрических термометров осно­вано на зависимости изменения давления от температуры

АР = (р/и) А/,                                   (6.6)

где ДР — изменение давления, МПа; ji — коэффициент объемного расширения жидкости, 1/~С; р.— коэффициент сжимаемости жидкости, см²/кс; Д/ — изме­нение температуры, °С.

Из уравнения 6.5 видно, что изменение объема жидкости является линейной функцией температуры. Это определяет равномерность шкалы жидкостных термометров. Следует от­метить, что погрешности от колебания температуры окружаю­щей среды для жидкостных термометров больше, чем для га­зовых. Эти погрешности вычисляют по тем же формулам, что н для газовых термометров. Особенно значительные погрешности

86

Рис. G.5. Схема температуркой компенсации ртутного манометрического тер­мометра:

гермобаллок: ? — основной капилляр; Я - дополнительный капилляр; •/ —основная пшральная грубчатая пружина: :> вспомогательная спиральная грубчатая пружина

Рис. 6.6. Термобаллон манометрического термометра п защитной гильзе: >' }ащнтная гильза; -' термобаллон; 3 наполнитель гильзы; ' футеровка; 5 ниж­няя разъемная шайба; 6 - уалотннтельвая набивка; 7— иерхняя разъемная шайба; 8 — и улка: 9 ■ капилляр

получаются при колебании температуры капилляра, поэтому при значительной его длине необходимо применять компенсацион­ное устройство.

На рис. 6.5 показана схема компенсационного устройства, имеющего рядом с основным капилляром дополнительный (компенсационный) капилляр, один конец (у термобаллона) запаяй, а другой соединен со вспомогательной (компенсацион­ной) пружиной. Оба капилляра и обе пружины заполнены од­ной и той же рабочей жидкостью и имеют одинаковые харак­теристики. С изменением температуры окружающей среды дав­ление жидкости в обоих капиллярах и в обеих пружинах из­меняется, поэтому вспомогательная пружина действует в нап­равлении, противоположном действию основной пружины и тем самым исключается влияние температуры окружающей среды па показания прибора.

Для жидкостных термометров следует также учитывать по­грешность, вызванную различным положением термобаллона относительно манометра по высоте; эту погрешность можно скомпенсировать, корректируя нуль после установки прибора.

В конденсационных манометрических термометрах термо

 

баллон обычно заполнен на 2/3 объема низкокипящей жид­костью. В замкнутой системе термометра всегда существует динамическое равновесие одновременно протекающих процес­сов испарения и конденсации При повышении температуры усиливается испарение жидкости и увеличивается упругость пара, а следовательно, усиливается также и процесс конден­сации. В результате этого насыщенный пар достигает некото­рого определенного давления, строго отвечающего температу­ре. Изменение давления насыщенного пара непропорционально изменению температуры, поэтому шкала конденсационного термометра получается неравномерной. Это — один из его не­достатков.

Манометрические термометры всех видов характеризуются значительным запаздыванием показаний, зависящим от физического состояния наполнителей к их теилофнзпческнх характеристик. Газовые термометры имеют наибольшее запаздывание, а паро-жндкостные наименьшее (примерно в 2.5 раза меньше, чем газозаполненные); жидкостные термометры занимают промежуточное по­ложение. При измерении температуры агрессивных сред или продуктов в ап­паратах, работающих при высоких давлениях, термобаллон манометрического термометра устанавливают в защитную гильзу (рис. 6.6).

Для работы со вторичными приборами изготовляют мано­метрические термометры с электрической и пневматической ди­станционными передачами показаний.

Приборостроительная промышленность выпускает термометры манометри­ческие различных видов. Например, термометры манометрические газовые са­мопишущие одно- и днухзаннсные С дисковой диаграммой; имеют обозначение ТГС-71 I, ТГС-712, а термометр манометрический показывающий местный кон­денсационный — ТКП-160.

6.3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ

Измерение температуры по электрическому сопротивлению тел основано на зависимости его от температуры.

Электрические термометры сопротивления позволяют изме­рять температуру с высокой степенью точности — до 0,02°С, а при измерениях небольшой разности температуры — до 0,0005 °С.

Термометры сопротивления по сравнению с манометрическими термометра­ми обладают следующими преимуществами: более высокой точностью изме­рения, возможностью передачи показаний па большие расстояния; возможно­стью централизации контроля температуры, достигаемой присоединением (че­рез переключатель) нескольких термометров к одному измерительному прибо­ру, и меньшим запаздыванием показаний.

Промышленные термометры сопротивления ГСП конструк­тивно состоят из термоэлемента (чувствительного элемента) н наружной (защитной) арматуры. В качестве материала для чувствительных элементов промышленных термопреобразовате­лей сопротивления используют металлы с хорошей электро­проводностью, такие как платина, медь. Чувствительны.

 

 

Рис. 6.7. Конструкция платинового чувствительного элемента;

/ --платиновая спираль; .' выводы; з - гермоцемеит: ■/ — керамический каркас: S — пйй-ка спиралей

мент металлического термопреобразователя сопротивления представляет собой тонкую платиновую или медную проволоку, намотанную на каркас или свернутую в спираль, помещенную в каналы защитного каркаса (рис. 6.7).

Платиновые термометры сопротивления (ТСП) предназна­чены для измерения температур от —260 до 750°С. Для изме­рения низких температур (до —260°С) применяют ГСП. за­щитная гильза которых заполнена гелием.

Медные термометры изготовляют только технические (тип ТСМ) по ГОСТ 6651—78. Конструктивная форма их показана на рис. 6.8.

Медную изолированную проволоку / диаметром 0,08 мм на­матывают обычно без каркаса бпфилнрно и покрываю! фторо­пластовой пленкой 2. Концы проволоки припаивают к выво­дам 3, которые присоединяют к зажимам головки термометра. Медные термометры выпускают для измерения температуры от —50 до 180 °С.

Типы, основные параметры и размеры термометров сопро­тивления, выпускаемых промышленностью, регламентированы ГОСТ 6651—78. Условные обозначения градуировки термомсь ров сопротивления ТСП установлены следующие: гр. 20, гр. 21. гр. 22, гр. 23 и гр. 24.

Для термометров с градуировкой 20, 21 и 22 начальное со­противление ( Ra ) составляет соответственно 10; 46 и 100 Ом Термометры сопротивления медные ТСМ выпускаются с сопро­тивлением /?о=53 Ом (гр. 23) и /?о=Ю0 Ом (гр. 24).

Полные градуировочные таблицы с интервалами темпера­тур в 1 °С приведены в приложении к ГОСТ 6651—78.

Терморезисторы. Для изготовления термопреобразователей сопротивления применяют также полупроводники, оксиды тита­на, магния, железа, никеля, меди или кристаллы некоторых

Рис. 6.8. Конструкция медного термометра сопротивления

 

 

Рис. 6.9. Бусинковое полупроводниковое термосопротивле-ние

металлов (например, германия). Существенным преимуществом полупроводниковых термомет­ров (терморезиеторов) является их большой температурный коэффициент электрическою сопротивления. Поэтому из полупроводников можно делать термометры с большим началь­ным сопротивлением, что позволяет снизить до незначительных величин погрешности, вызывае­мые изменением температуры соединительных

проводов.

Для измерения температуры наиболее часто применяют терморезнсторы типов ММТ-1, ММТ-4, ММТ-6, КМТ-4. сопротивление которых в рабочих интервалах температур изменяется по экспоненциальному закону. Основными недостатками, препятствующими широкому внедрению терморезиеторов в практику систем автоматическо­го контроля, являются низкая воспроизводимость параметров, что исключает их взаимозаменяемость, а также сравнительно невысокая максимальная рабочая температура (от —60 до

180°С).

На рис. 6.9 показан стержневой терморезистор, представля­ющий собой цилиндр / с контактными колпачками 2, к кото­рым припаяны выводы 3. Цилиндр покрыт эмалевой краской и обмотан металлической фольгой 4. Снаружи терморезнстор за­щищен металлическим чехлом 5, в верхней части которого име­ется стеклянный изолятор 6'.

Измерительные приборы термометров сопротивления. Соп­ротивление термометров можно измерить но обычным в элект­ротехнике мостовым схемам: уравновешенным н неуравнове­шенным.

Простейшая схема уравновешенного моста показана на рис. 6.10,а. Термометр сопротивления R , и расположенные по­следовательно с ним два сопротивления R ., соединительных ли­ний включаются в плечо СВ мостовой схемы. В диагональ DB моста подается напряжение от батареи Б. Изменяя величин;, сопротивления R , добиваются равенства напряжения в точках А и С что констатируется отсутствием тока в диагонали АС гальванометром С, Такое положение соответствует равному отношению падения напряжения в плечах обеих ветвей моста.

Сопротивление линии 2R.^ подгоночной катушкой устанав­ливается постоянным. Сопротивления R ₂ и Ri постоянны и вы­полнены (так же как и сопротивление R ,.) из манганина. Мо­стовая схема, изображенная на рис. 6.10. и, отличается высо­кой точностью измерении и практически не зависит от напряжения батареи В. При нулевом отсчете по гальванометру от­падают погрешности, обусловленные температурой окружаю­щей среды и посторонними магнитными воздействиями. Неко­торую неопределенность в эту схему может внести переходное сопротивление передвижного контакта а также возможное изменение сопротивления соединительных проводов по­скольку изменяется их температура. Эти неопределенности практически можно исключить, если собрать мостовую схему, показанную на рис. 6.10,6. В этом случае передвижной кон­такт не относится к сопротивлению плеча Л В, а включен в диа­гональ СА, сопротивление которой в момент отсчета (при ну­левом токе) практически не имеет значения. Для устранения влияния возможного изменения сопротивления R_n соединитель­ных линий на показания моста (точка В) перенесено к термо­метру.

В трехпроводной схеме влияние величины Л/?., на показа­ния будет существенно меньше (на порядок и больше), чем и двухпроводной схеме, даже для самой неблагоприятной точки шкалы. В трехпроводных схемах сопротивление каждой линии доводится до установленного значения R „ при помощи отдель­ных подгоночных сопротивлений в каждой линии.

На рис. 6.10, в показана схема неуравновешенного моста для измерения сопротивления R ,, включенного по трехпровод­ной схеме. В диагональ моста СА включается вместо гальва­нометра миллиамперметр тА. Напряжение питания моста в

 

диагонали BD должно поддерживаться постоянным. Контроль напряжения в диагонали ВО осуществляется включением конт­рольного сопротивления R_K при переключателе в положении 2.

Для установленного значения напряжения при постоянных сопротивлениях плеч R_u R ₂ , R -, и /?_R сила тока в диагонали СА будет иметь определенное значение, что контролируется миллиамперметром. Отклонение от установленной величины то­ка корректируется сопротивлением /?_рег. После того, как уста­новится напряжение в точках В и D , переключатель ставят в положение / и измеряют сопротивление Rt no силе тока /о в диагонали СА.

Недостаток схемы — необходимость поддержания постоян­ного напряжения в вершинах СА — можно легко устранить, применив источники стабилизированного питания типа ИПС по ГОСТ 1198—70.

В последние годы неуравновешенные мосты для измерения температур применяют редко, лишь в приборах для измерения величин, преобразуемых в активное сопротивление.

Логометры. Эти приборы предназначены в основном для из­мерения температуры при помощи термометров сопротивления. Логометры построены на принципе сравнения сил токов в це­пях термометра и постоянного сопротивления.

Логометр представляет собой двух рамочный магнитоэлект­рический миллиамперметр. Подвижная часть его (рис. 6.II,и) состоит из двух рамок /?, жестко соединенных одна с дру­гой и со стрелкой, конец которой перемешается вдоль шкалы. Рамки охватывают неподвижный сердечник С и могут перемещаться в зазоре переменной ширины между полюсами 5 и А' постоянного магнита и сердечника. Вся подвижная система укреплена по центру сердечника, обычно на керповых опорах. Для подвода тока к рамкам применяют либо безмоментные вводы, практически не создающие противодействующего мо­мента, либо спиральные пружины, протнводейст

 

вующий момент которых много меньше магнито-электрического момента рамок.

Обе рамки питаются от общего источника постоянного тока В (рис. 6.11,6) с напряжением £г>. Последовательно с рам­кой включено постоянное сопротивление R_K , а поеледона с рамкой R -2 — термометр R_t . Магнитные моменты, воз­никающие в рамках, соответственно равны

— постоянные коэффициенты, определяемые геометрическими раз херами рамок и числом витков проводов в них; В, и У? -магнитные им в местах расположения рамок.

В различных точках зазора переменной ширины магнит индукция будет различной. Отношение индукции В В₂ для жестко скрепленных рамок зависит от их угла поворота положении равновесия магнитные моменты рамок будут равны откуда угол поворота рамок

Учитывая, что R , и /?2 н R_K практически постоянны,

Напряжение батареи Б теоретически совсем не влияет на поворота рамок. Практически изменение напряжения становится заметным лишь при отклонениях, больших ±20% 01 поминального (расчетного) значения.

Для повышения чувствительности в реальные схемы в i рамки логометра R_p ' и R_P " в диагональ неуравновешен­ного моста с постоянными сопротивлениями R \, /?: и R (рис. 6.11,6). Манганиновое R_A н медное R $ сопротивления служат уменьшения общего температурного коэффициент логометра (при изменении температуры окружающей среды). Термометр R_t с сопротивлениями линий /?_л может быть включ и трехпроходной схеме. В цепь термометра сопротивления инлигея нормально закороченное сопротивление R „ (иногда ). При контроле работы логометра снимают за­корачивающий шунт сопротивления R_H и закорачивают термо­метр Ri , соединяя точки / и 2 схемы. Стрелка логометра долж­на мри этом устанавливаться на определенном значении шкала прибора (красной черте).

Класс точности переносных логометров (по ГОСТ 9736— (>К) составляет 0,2; 0,5 и 1,0. а стационарных шитовы.

 

Рис. 6.12. Автоматический уравновешенный электронный мост типа КСМ-4 (СД — синхронный двигатель)

1,5; 2,0 и 2,5. Логометры могут быть показывающими самопи­шущими до 12 точек измерения, а также иметь дополнительные устройства для регулирования и сигнализации.

Автоматические мосты. В автоматических уравновешенных мостах (рис. 6.12) движок реохорда перемещается автоматиче­ски. Измерительная схема мостов питается как постоянным, так и переменным током. В автоматических мостах переменно­го тока решающее влияние па измерение имеют активные соп­ротивления, поэтому приведенные выше соотношения для мо­стов постоянного тока сохраняются и для автоматических мо­стов переменного тока. Последние имеют ряд преимуществ перед мостами постоянного тока: измерительная схема питает­ся от одной из обмоток силового трансформатора электронного усилителя, т. е. не требуется дополнительного источника пи­тания и отпадает необходимость в применении вибрационного преобразователя.

Существует много различных модификаций автоматических уравновешенных мостов, однако принцип их работы одинаков. В качестве примера здесь рассматривается принципиальная

Электронного автоматического уравновешенного моста типа КСМ-4. Питание моста подается в диагональ 3D от ot­ic .иной обмотки трансформатора в усилителе ЭУ. Для полу­чения расчетного напряжения на вершинах В и D в диагональ Включается балластное сопротивление Термометр R , вклю­чен но трехпроводиой схеме в плечо моста АВ. Реохорд R_p вместе с шунтирующим сопротивлением как обычно, име­ет приведенное сопротивление, равное 90 Ом.

Сопротивления определяют пределы измерения по шкале. Значения сопротивлений моста определяются соответствующим расчетом. Измерительная схема питается переменным током. Это исключает необходи­мость применения вибрационного преобразователя Поскольку мост является уравновешенным, нет необходимости строго вы­держивать постоянство напряжения на вершинах В и D . По-•тому никаких стабилизаторов напряжения не предусмотрено. Уравновешенные мосты выпускают нескольких модификаций Они могут быть одноточечными п многоточечными на 6, 12 и I точки; класс точности уравновешенных мостов 0,5. Для дистанционного измерения температуры применяют преобразователи различных типов. Они рассмотрены выше.

 

6.4. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ

 

измерение температуры термоэлектрическими преобразовате­лями основано на термоэлектрическом эффекте цепи, состоящей из двух пли нескольких разно­родных проводников, возникает электрический ток. если хоти бы два места соединения (спая) проводников имеют разную температуру.

Цепь, состоящая из двух разнородных проводников (рис 6.13) называется термоэлектрическим преобравателем (ТЭП ) Спай, имеющий температуру называется горячим или рабо­чим, а второй, имеющий постоянную температуру (о—холод­ным или свободным. Проводники А и В называются термомчиродами. Термоэлектрический эффект объясняется м в металле свободных электронов, число которых в единице  различно для разных металлов. В спае с температурой электроны из металла А диффундируют в металл В в боль­шем количестве, чем обратно. Поэтому металл А заряжается Положительно, а металл В отрицательно.

Если для данной термопары найдена зависимость определяемая градуировкой, то измерение температуры сводится к определению т. э. д. с. термопары.

Для включения измерительного прибора и цепь ТЭП не­обходимо разорвать электрическую цепь. Сделать это можно В спае с температурой /₀ (рис. 6.14,а) или в одним из термородов (рис. 6 14.).

 

Рис. 6.13. Термоэлектрическая цепь из двух проводников

Рис. 6.14. Цепь с третьим проводником С. включенным в спай термоэлектрч преобразователя » включенным в термоэлектрод термопары (б)

Несмотря на внешнее различие схем, показанных на рис. 6.14, т.э.д.с, развиваемые термоэлектрическими преобразова­телями ТЭП одинаковы, если температуры /, (₀ и температуры концов проводника С также одинаковы. Из этого следует, что т. э. д. с. ТЭП не изменяется от введения в его цепь третьего проводника, если концы этого проводника имеют одинаковые температуры. На этом основании в цепь ТЭП включают соеди­нительные провода, измерительные приборы и подгоночные сопротивления.

При неравенстве температур концов третьего проводника т. э. д. с. ТЭП уменьшится на величину э. д. с. паразитной пары АС (рис. 6.14, а) при температурах концов проводника t \ :i и t \ и /о п to '. Из этого следует, что в цепи ТЭП желательно применять проводники, термоэлектрические свойства которых незначительно отличаются от таковых свойств термоэлектродоз термоэлектрических преобразователей.

Как уже говорилось, т. 9. д. с. ТЭП является функцией из­меряемой температуры лишь при условии постоянства темпе­ратуры холодного спая 

ТЭП градуируют при определенной постоянной температуре холодного спая (обычно при /о = 0°С, реже при /₀ = 20°С). При измерениях температура холодного спая может быть иной не равной температуре градуировки. Несовпадение температур необходимость внесения поправки. Величину поправки можно получить для данного ТЭП из градунровочной таблицы или при небольших значениях разности /о'—

характеристической кривой. При этом можно принять прямо­линейную зависимость E = f ( t ).

В дальнейшем величину т. э. д. с. ТЭП будем обозначать Е_л. По ГОСТ 3044—77 принято шесть видов технических термо­электрических преобразователей с металлическими термоэлект­родами. Платинородий (90% платины+10% родня)—плати­новые ТЭП (тип ТПП имеет градуировку ПП₆8). В зависимости от назначения эти ТЭП разделяют на эталонные, образцовые п рабочие.

Платинородий — платиновые преобразователи надежно ра­ботают в нейтральной и окислительных средах, но быстро вы ходят из строя в восстановительной среде. К недостаткам пре­образователей этого типа следует отнести малую т. э. д. с. по сравнению с т. э. д. с. других ТЭП. Диаметр термоэлектродной проволоки, применяемой для ТЭП типа ТПП, составляет 0,3 или 0,5 мм.

Платинородий (30% родия)—платинородиевый (6% ро­дия) ТЭП (тип ТПР) имеет градуировку ПР 30/бвв. Особен­ностью преобразователя данного типа является то, что он раз­вивает очень малую т.э.д.с. (0,04 мВ при 120°С и 0,002 мВ при 20°С), что не требует поправки на температуру холодных спаев.

Хромель — алюмелевый преобразователь (94% Ni+2% AI + +2,5% Мп+1% Si+0,5% примеси) ТЭП (тип ТХА) имеет гра­дуировку XAes. Эти ТЭП применяют для измерения температур in 1300°С. Кривая зависимости т. э. д. с. для данного преобра­зователя близка к прямой. ТЭП типа ТХА хорошо работает в окислительных средах и сравнительно быстро разрушается в восстановительной среде.

Хромель — копелевый преобразователь (56% Cu+44% Ni) ТЭП (тип ТХК) имеет градуировку ХК₆₈. Эти ТЭП развивают наибольшую т. э. д. с. из всех стандартизованных ТЭП, что по­зволяет изготовлять измерительные комплекты с узкой темпе­ратурной шкалой, например 0—300°С.

Стандартные ТЭП типа ТХК и ТХА изготавливают из тер­моэлектродной проволоки диаметром от 0,7 до 3,2 мм.

Вольфрамрениевый преобразователь (20% рения, тип ВР-5/20) применяют для измерения температуры до 2300°С н нейтральной и восстановительной средах, а также для изме­рения температуры расплавленных металлов.

Иногда применяют и нестандартизованные преобразователи. Из них широко используют медь — копелевые, железо — констаитановые и мен констаитановые ТЭП. Нестандартизованные ТЭП после изготовления подвергают обязательной индивидуальной градуировке.

Конструктивное оформление термоэлектрических преобразо-11.1 гелей разнообразно и зависит главным образом от условий их применения. На рис. 6.15 показан ТЭП типичной конструк­ции. Как правило, рабочий спай промышленных ТЭП изготов

 

Рис. 6.15. Термопара в защитной арматуре! передвижным фланцем:

представляют сваркой в пламени вольтовой дуги. ТЭП из неблагород­ных металлов сваривают под слоем флюса, а ТЭП из плати новой группы — без флюса.   Пайку применяют только при из­готовлении нестандяртизованных ТЭГ1 из очень тонкой термо­электродной проволоки.

Из специальных следует назвать многозонный ТЭП (рис б.16), применяемый для позонного измерения температуры в вертикальных аппаратах (в колоннах синтеза аммиака, мета пола и др.). Чехол такого ТЭП представляет собой труб  которую помешен пучок изолированных один 01 другого ТЭП 1личной длины. Провода, соединяющие ТЭП с измерительным прибором, изготавливают из материалов, которые в паре между собой развивают тс же э.д. с. (при тех же температу­рах), что и ТЭП, к которому они подсоединены. Такое требо­вание ограничивается температурой примерно 100"С. выше ко­брой характеристики ТЭП и соединительных проводов могу! различаться. Это допустимо, так как температура соединитель­ных проводов обычно не бывает высокой. При соблюдении указанного требования провода удлиняют ТЭП па длину со­единительных проводов, а свободные концы ТЭП оказываются па клеммах прибора, предназначенного для измерения т.э.д.с.

Несоблюдение указанного выше требования привело бы к возникновению «паразитных» э.д. с. в результате образования спаев в местах соединения свободных концов ТЭП с соедини  проводами. Например, для ТЭП типа ТХК применяют хромелькопелевые провода, а для ТЭП типа ТХА — один провод медный, а второй константановый (60% Си и 40% Ni). Измерительные преобразователи для ТЭП рассмотрены выше.

Приборы для измерения термоэлектродвижущих сил. Для измерения т. э. д. с. в комплектах термоэлектрических термомет­ров применяют магнитоэлектрические милливольтметры и по генциометры.

Милливольтметры делятся иа переносные и стационарные, потенциометры — на лабораторные, переносные и автоматические. Милливольтметры — магнитоэлектрические приборы, работа их основана на взаимодействии проводника, но которо­му течет ток, и магнитного поля постоянного магнита. Магнит имя система милливольтметра (рис. 6.17) состоит из магнита, полюсных наконечников и цилиндрического сердечника. В коль цепом воздушном зазоре между полюсными наконечниками и сердечником вращается рамка из медного или реже алюминие­вого изолированного провода. Чаше всего рамки крепятся на кернах, которые опираются на подпятники из агата пли руби-п.1. Момент, противодействующий вращению рамки, создается

 

спиральными пружинками, которые одновременно служат и для подвода тока к рамке.

В регистрирующих приборах рамка подвешена па тонких металлических лентах (рис. 6.18). Грузиками подвижная сис­тема уравновешивается так. что центр ее тяжести находится на оси рамки. Ток, протекая через рамку, вызывает появление двух одинаковых сил, направленных в разные стороны и стре­мящихся повернуть рамку.

Сила тока, протекающего по рамке, определяется т. э. д. с. термоэлектрического преобразователя £_т и сопротивлением электрической цепи R , т. е.

Сопротивление цепи складывается из сопротивления ТЭП Rv , сопротивления соединительных проводов /?_с.„ и сопротивле­ния рамки /?_Р, т. е.

Следовательно, для угла поворота рамки получим

Из уравнения (6.14) следует, что для получения однознач­ной зависимости угла поворота рамки со стрелкой от т, э. д. с. ТЭП £т необходимо, чтобы сопротивление цени оставалось всегда постоянным. Но если при стационарных условиях ра­боты милливольтметра сопротивление рамки /?_Р можно считать

 

Рис. 6.17. Магнитная и пидкнжная системы милливольтметра

 

Рис 6.18. Схема крепления рамки на ленточных подвесках

 

 

Практически постоянным, то сопротивление ТЭП R \ колеб­лется при изменении измеряе­мой температуры. Сопротивле­ние соединительных проводов при изменении темпера­туры окружающей среды так­же приводит к появлению погрешности измерения.

Схема включения соединительных проводов показана и I рис. 6.19. Точность измерения температуры милливольтметром / тем выше, чем большая часть сопротивления приходится на рамку и чем меньшие сопротивления имеют соединительные провода 3 и термоэлектродные провода 2 ТЭП. Для снижения указанной погрешности увеличивают сопротивление цепи по­следовательным подключением к рамке дополнительного соп­ротивления /(,; в виде катушки из манганиновой проволоки (практически с неизменяющимся сопротивлением при измене или температуры). Практически сопротивление в миллн вольтметрах колеблется от 100 до 500 Ом. Для получения правильных показаний действительное значение

должно соответствовать расчетному. В приборах отечественно­го производства расчетная величина /?„„ равна одному из елетощих значений: 0,6; 1.6; 5; 15 и 25 Ом. Под это расчетное сопротивление, указанное на шкале милливольтметра, подгоняется при монтаже фактическое сопротивление ТЭП { R \) и сопротивление соединительных проводов.

Чтобы исключить погрешности, связанные с изменением сопротивления соединительных проводов и ТЭП при эксплуата­ции, температура соединительных линий должна быть близкой к 20''С, а глубина погружения ТЭП должна соответствовать радуировочной. Если шкала милливольтметра выражена толь­ко в милливольтах, то к нему можно подключить термопару любой градуировки. Определив по шкале милливольтметра напряжение и зная величины R_B И /?„„, можно найти величин) Э. д. с. из уравнения

где Ум напряжение, намеряемое милливольтметром

Зная по градунровочным таблицам для применяемого

ТЭП определяют температуру. Если температура свободных концов ТЭП в процессе измерения изменяется в широких пре­делах, применяют метод компенсации температуры холостых

 

 

Рис. 6.20. Электрическая схема автоматической компенсации температуры хо­лодных спаев:

 — компенсационный мост: :> —ТЭП; 3— милливольтметр; 4- источник питании

Рис. 6.21. Принципиальная схема потенциометра с постоянной силон тока в компенсационной цепи

спаев, используя для этого мостовую схему типа КТ-54 (рис. 6.20).

ТЭП включается последовательно с неуравновешенным мо­стом, три плеча которого R_u R -₂ и R _{: i} выполнены из манганина, а четвертое R *—медное. Схема питается от стабилизирован­ного источника питания. Добавочное сопротивление R_a служит для подгонки напряжения, подаваемого на мост, до нужного значения. Ирм постоянном напряжении источника питания (4 В), изменяя сопротивление R_a , можно настраивать мост для работы с ТЭП различных градуировок. От ТЭП до компенса­ционного моста прокладываются термоэлектродные провода, от моста до измерительного прибора — медные.

При градировочной температуре холодных спаев ТЭП мост находится в равновесии, и разность потенциалов на вершинах моста cd равна нулю. С изменением температуры холодных-спаев одновременно изменяется сопротивление /?₄. что наруша­ет равновесие моста и на вершинах моста cd возникает раз­ность потенциалов. Вследствие изменения температуры холод­ных спаев ТЭП одновременно изменяется его т. э. д. с. на вели­чину указанной разности потенциалов. Так как изменение т. э. д. с. равно разности потенциалов и имеет противоположное направление, происходит автоматическая компенсация. Следо­вательно, компенсация может быть достигнута при условии равенства температур сопротивления R ₄ и холодных спаев ТЭП. что достигается размещением моста рядом с холодными спая­ми ТЭП.

Милливольтметры выпускаются нескольких модификаций: показывающие переносные приборы МПП и показывающие для щитового монтажа с профильной шкалой М-64. Класс точности

102

приборов 1,0 и 1,5. При измерении температуры в нескольких местах одного и того же объекта применяют милливольтметры ( многоточечными переключателями.

В качестве примера такого прибора может служить милливольтметр типа 111 69004, причем встроенный в общий корпус милливольтметра многоточечный Переключатель типа П 691 позволяет измерять температуру в двенадцати том ках, т. е. одним прибором с 12 термоэлектрическими преобразователями.

Потенциометры. Принцип действия потенциометров основан На уравновешивании (компенсации) измеряемой т.э.д.с. с из­вестной разностью потенциалов. Эта разность потенциалов со­здается в потенциометре посторонним источником энергии Принципиальная схема потенциометра показана на рис. 6.21.

В этой схеме имеются три электрические цепи. В цепь ис­точника тока (компенсационную) входит источник тока Б. сопротивление R_B (реостат), постоянное сопро­тивление Rh , и сопротивление реохорда R_p с перемещающимся вдоль него контактом D . В цепь нормального элемента входи! нормальный элемент НЭ, сопротивление R_Hi п нулевой прибор II П. В цепь ТЭП входят ТЭП, нулевой прибор НП и часть из­мерительного сопротивления R_p . Нормальный элемент, предна­значенный для контроля постоянства разности потенциалов Между конечными точками реохорда, развивает постоянную во времени э. д. с.

Обычно применяют ртутно-кадмиевый гальванический эле­мент Вестоиа, развивающий при 20°С э. д. с. 1.01830 В. Поль зуясь нормальным элементом, можно довольно точно уста но нить постоянство разности потенциалов на концах реохорда Для этой цели переключатель П переводят на контакт К. Включая НП в цепь НЭ и одновременно разрывая цепь ТЭП.

Нормальный элемент присоединяется к концам сопротивления R_Ki так, что его э. д. с. оказывается направленной навстречу > д. с. источника тока Б. Регулируя силу тока в компенсацион­ной цепи реостатом добиваются такого положения, при котором разность потенциалов на концах сопротивления равна с. НЭ. При этом сила тока в цепи нормального элемент;: равна нулю и стрелка НП устанавливается на нуле шкалы И лом случае сила тока в компенсационной цепи

Для измерения т. э. д. с. ТЭП переключатель II переводя; На контакт И, подключая тем самым ТЭП последовательно с //// к измерительному сопротивлению в точке в н скользящему контакту. Термо э. д.с. ТЭП тогда будет действовать в сторону, Противоположную э. д. с. источника тока Б.

Перемещая контакт I ). находят такое его положение, при котором разность потенциалов чсжд\ точками в и I ) измерительного сопротивления равна т.Э.Д.С термопары, при этом Сила тока в цепи ТЭП равна нулю, тогда

 

Рис. 6.22. Принципиальная схема электронного автоматического по­тенциометра

Так как Е»₃ и #„_э посто­янны, определение т. э. д. с. ТЭП сводится к определе­нию участка измерительно­го сопротивления Reo - Из­мерение т. э.д. с. компенса­ционным методом осущест­вляется в отсутствие тока в цепи термоэлектроиреобразователя, поэтому сопро­тивление цепи ТЭП, соединительных проводов, НП, а следова­тельно, и его зависимость от температуры не оказывает влия­ния на точность измерения. Это свойство является одним из существенных преимуществ компенсационного метода измере­ния. Промышленность выпускает большое количество перенос­ных технических и лабораторных потенциометров различных типов. В зависимости от назначения и точности показаний они подразделяются на три класса: 1-й, 2-й и 3-й. Потенциометры 1-го и 2-го классов снабжены свидетельством с указанием их погрешностей и используются в качестве образцовых. Потен­циометры 3-го класса используются как рабочие.

В автоматических потенциометрах в отличие от рассмот­ренных выше взамен стрелочного нулевого прибора установле­ны электронные нуль-инднкаторы. Автоматические электронные потенциометры работают в комплекте с одним из стандартных ТЭП. Измерительные схемы всех автоматических потенциомет­ров предусматривают автоматическое введение поправки на температуру свободных концов ТЭП. Поэтому их выполняют в виде неуравновешенного моста.

Все сопротивления измерительной схемы (рис. 6.22), кроме R_K , выполнены из манганина, сопротивление R_K — из меди или никеля. Цепь источника тока состоит из двух ветвей: рабочей, в которую включен реохорд R_p , и вспомогательной, состоящей из двух сопротивлений R_{H 3} и R *. Наличие вспомогательной вет­ви позволяет автоматически ввести поправку на температуру холодных спаев термопары. Сопротивление R_K и холодные спаи термопары должны находиться при одинаковой температуре. В приборе сопротивление R_K расположено недалеко от места подключения термопар.

Измеряемая т. э.д. с. ТЭП компенсируется падением напря­жения на сопротивлении R_p , зависящего от положения движка реохорда, и сопротивлениях R_H и R_K

Повышение температуры холодных спаев вызывает умень­шение т. э.д. с. ТЭП на величину При этом падение напряжения на сопротивлении R_K одновременно возрастает, тогда

Чтобы движок реохорда сохрани свое положение и потен­циометр показывал измеряемую температуру, необходимо обес­печить равенство

Если т.эд. с. ТЭП Е_т не равна падению напряжения Ubd , ТО напряжение небаланса подается на вход преобразовательного каскада.

В преобразовательном каскаде постоянное напряжение не­баланса преобразуется в переменное, которое затем усилива­ется до значения, достаточного для вращения реверсивного PR , который передвигает движок реохорда и восста­навливает равновесие измерительной схемы. Одновременно РД перемещает показывающую стрелку и записывающее перо. При равновесии измерительной схемы, когда, ревер­сивный двигатель не вращается, так как на вход преобразова-гельного каскада напряжение не подается.

Чтобы установить силу рабочего тока Л, переключатель Я, нормально находящийся в положении И (измерение), нажати­ем кнопки механизма установки рабочего тока переводится и положение К (контроль). При этом одновременно устанавли­вается кинематическая связь реверсивного двигателя с движком реостата /?,-i и подключается электронный усилитель к це­ни нормального элемента.

Если падение напряжения J \ R , i ₃ не равно э.д.с. нормально­го элемента, то электронный усилитель, как при измерении i ».д.с. ТЭП, получает сигнал, равный разности между э.д.с. Нормального элемента и падением напряжения на сопротивле­ние Реверсивный двигатель, вращаясь по часовой стрелке пли против нее, в зависимости от знака небаланса, передвига­ет движки реостата R_B , изменяя величину питающего напряже­ния. В момент равновесия, когда на электронный усилитель сигнал не подается, и реверсивный двигатель оста­навливается. В этот момент устанавливается вполне опреде­ленное значение силы рабочего тока /,.

В электронных потенциометрах для усиления напряжения небаланса применяют электронные усилители переменного тока.

Приборостроительные заводы нашей страны выпускают мно­го разновидностей электронных автоматических потенциомет­ров. Все они соответствуют требованиям общесоюзного ГОСТ 7164—78 «Приборы автоматические следящего ) ранновещнвання ГСП»; принципиальные схемы, точность из­мерения и другие технические показатели этих приборов мало нем различаются.

Унифицированная система автоматических потенциометров, автоматических измерительных уравновешенных мостов и мил­лиамперметров получила общее условное обозначение КС (Комплекс самописцев).

Промышленность выпускает потенциометры нескольких ти­ной. К ним относятся потенциометр типа КПП 1 — электронный автоматический показывающий; КСП 1, КСП 2 — электронный автоматический показывающий и самопишущий с записью на .ленточной диаграмме; КСПЗ-П — электронный автоматический показывающий и самопишущий одноточечный с записью на ди­сковой диаграмме; КСПЗ-ПИ — автоматический показываю­щий, самопишущий и регулирующий с пскробезопасной измери­тельной схемой; КСП 4 — автоматический показывающий, са­мопишущий и регулирующий на складывающейся диаграмме; КСПП 4 — двухкапальный автоматический самопишущий.

В XII пятилетке взамен приборов серии КС будут выпус­каться аналоговые приборы серии А, которые выполняются на микроэлектронной базе. Приборами А550-001—А550-001-05 за­меняются однокапальные потенциометры КСУ 4 без регулирую­щих устройств; А682-002 — 682-002-03 заменяются многоканаль­ные приборы КСП 4, КСЛ\ 4 без регулирующих устройств; Л683-001-4— Л683-001-07 заменяются многоканальные приборы КСП 4. КСМ 4 с двухпозиционнымн регулирующими устрой­ствами; приборы А550. А650, А660, А682, А683 имеют равно­мерные шкалы.

В приборах серии А применяется лента диаграммная тина ЛПГ-250 с намоткой координатной сетки наружу.

Взамен приборов КСПЗ-П, КСМЗ-П будут выпускаться электронные приборы «Дпск-250». В этих приборах используют­ся резпеторные микросборки. Применение в приборах «Диск-250» схемы с предварительным усилением позволяет ре­ализовать функции сигнализации, регулирования и преобразо­вания входного сигнала в выходной электрическими методами с применением элементов микроэлектроники.

Потенциометры выпускаются как одноточечными, так и мно­готочечными. Последние снабжены переключателями ТЭП. Ос­новная погрешность показаний потенциометров лежит в преде­лах от ±0.25 до ±0,5% от диапазона измерений, записи ±1,0% от диапазона измерений. Вариация показаний не превышает 0,5 абсолютного значения основной погрешности.

 

 

6.5. ОБЩИЕ УСЛОВИЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУР КОНТАКТНЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ

При использовании контактных методов измерения температу­ры необходимо создать такие условия, при которых термопреобразователь принимает температуру, наиболее близкую к тем­пературе измеряемой среды, и возможно меньше искажает тем­пературное поле измеряемой среды.

Основные специфические погрешности контактных методов измерения стационарных температур, помимо чисто инстру­ментальных, обусловлены; а) лучистым теплообменом между прмоприемнпком и окружающими его течами; б) отводом Ten­ia теплопроводностью по арматуре и деталям термопреобразо­вателя и в) дополнительным нагревом газа вследствие трения элементов в области расположения термопреобразонателяу

Пели объем тела достаточно большой и возможно погруже­ние термопреобразователя на достаточную глубину, то вполне обеспечивается тепловое равновесие между измеряемым телом  термопреобразоватслем. Большие трудности возникают при измерении температуры твердых тел с небольшим объемом, особенно если в них имеются значительные температурные пе­репады. Применяемые в этом случае термопреобразователь должны иметь малые размеры. При этом между термопреобраователем и измеряемым твердым телом должен быть обеспечен хороший тепловой контакт.

Наиболее сложно измерять температуру движущихся поверх­ностей (вальцов, каландров и т. п.). В этом случае при измере­ниях контактным способом возникает ряд дополнительных по­грешностей, связанных с трением термоприемника о поверх­ность, температуру которой измеряют. Погрешности эти 1авися1 от правильности контакта Термоприемника, чистоты контролируемой поверхности и др.

Для контроля температуры поверхностей вращающихся вал­ковых машин применяют как переносные, так и стационарные ТЭП различных конструкций. Измерение температуры почти всегда сопровождается теплообменом между термопреобразова­телем п окружающими его телами. Часто затруднительно обес­печить равенство температур преобразователя и измеряемой среды. Разность между указанными температурами составляет ошибку измерения. Величина ошибки зависит от разности тем­ператур термопреобразователя н стенки трубопровода. Умень­шение ошибки в этом случае достигается тепловой изоляцией трубопровода на том участке, где установлен термопреобразо­ватель. Кроме погрешностей, вызванных лучистым теплообме­ном, могут возникать погрешности вследствие отвода тепла по защитной трубке ТЭП к более холодным стенкам трубы (рис. 6.23).

Общих правил установки термопреобразователя не сущест­вует. Можно указать лишь на те условия, которых необходимо придерживаться при установке термопрпемников. При измере­нии температуры газон или паров, протекающих по трубопро­воду, термонрпемнпки всех видов (стеклянных термометров, монометрическнх термометров, ТЭП, термометров сопротивле­ния) следует располагать против направления потока в его центре, где скорости максимальны, В этом случае коэффици­ент теплоотдачи в месте соприкосновения потока с термопри­ем инком возрастает вследствие разрушения пограничного слоя.

Радиальное расположение термоприемника допустимо лишь тогда, когда возможно его погружение па достаточную глубину, г. е. в трубопроводах большого диаметра. Если термоприемник невозможно установить против потока, то следует устанавли­вать его наклонно к оси трубопровода.

 

6.6. ПИРОМЕТРЫ ИЗЛУЧЕНИЯ

 

Пирометры излучения основаны на измерении лучистой энер­гии, испускаемой нагретым телом. Наибольшее распростране­ние пирометры излучения получили в металлургии, однако и в химической промышленности они находят некоторое приме­нение (печи, топки котельных установок и др.).

Пирометры излучения по сравнению с другими приборами измерения температуры имеют следующие преимущества: а) измерение осуществляется бесконтактным способом, следо­вательно, отсутствует искажение температурного поля, вызван­ное введением датчика прибора в измеряемую Среду; б) верх­ний предел измерения температуры теоретически не ограничен; в) возможность измерения высоких температур газовых пото­ков при больших скоростях.

Тепловое излучение представляет собой процесс распрост­ранения внутренней энергии излучаемого тела электромагнит­ными волнами. При поглощении электромагнитных волн от излучающего тела другими телами электромагнитные волны вновь превращаются в тепловую энергию Тела излучают электромагнитные ВОЛНЫ широкого диапазона длин от /. = 0 до /,

Большинство твердых и жидких тел обладают непрерывным спектром излучения, т. е. излучают волны всех длин. Другие-тела (чистые металлы и газы) обладают селективным спектром излучения, т. е излучают волны только на определенных участ­ках спектра. Участок, начиная от волн длиной /. = 0.4

 (Рис. 6.23. Положение чувствительного элемента измерителя в трубе

словно, так как в сплошном видимом спектре переход от одного цвета к другому происходит непрерывно.

Волны длиной /. = 0.76 мкм относятся к невидимым инфра­красным тепловым лучам. По мере повышения температуры на­гретого тела и изменения его цвета быстро возрастает спект­ральная энергетическая яркость (СЭЯ). т. е. излучение опреде­ленной длины волны (яркости), а также заметно увеличивает­ся суммарное (интегральное) излучение. Указанные свойства нагретых тел используют для измерения их температуры и в соответствии с этими свойствами пирометры излучения делят­ся на квазимонохроматические, спектрального отношения и полного излучения.

Теоретически можно обосновать лишь явление лучеиспускания абсолютно черного тела, коэффициент лучеиспускания которого принимают за единицу. реальные физические тела обладают способностью отражать часть падаю­щих на Нил лучей, и поэтому коэффициент лучеиспускания их меньше единицы, причем он зависит как от природы данного тела, так и от состояния его по­верхности. В природе нет абсолютно черных тел. но есть тела, близкие по своим свойствам к абсолютно черному телу. Так. тело, покрытое черной шеро­ховатой краской (нефтяной сажей), поглотает до 96% всей лучистой энергии.

Свойством абсолютно черного тела обладает также поверхность отверстии и замкнутой полости (топки печей, паровых котлов и др.) с непрозрачными и равномерно нагретыми стенками. Это объясняется тем, что все лучи, попа­дающие в такое отверстие извне, практически полностью поглощаются внутри 1ела вследствие многократного отражения от внутренней поверхности,

СЭЯ и интегральное излучение зависят от физических свойств вещества, поэтому шкалы пирометров градуируют по истечению абсолютно черного тела. Возрастание СЭЯ с повы­шением температуры различно для волн разных длин и в об­ласти сравнительно невысоких температур для абсолютно чер­ного тела описываются уравнением Вина

Уравнением Вина можно пользоваться до температуры при­мерно 3000 К. При более высоких температурах интенсивность излучения абсолютно черного тела характеризуется уравнени­ем Планка

 

 

Рис. 6.24. Схема квазимонохро­матического пирометра

квазимонохроматическими пирометрами и пиро­метрами полного излуче­ния получают так назы­ваемую условную тем­пературу. Для перехода от условной (яркостной) температуры к истинной используют преобразо­ванное уравнение Вина. Квазимонохроматические пирометры. Действие квазимоно­хроматических (оптических) пирометров основано на сравне­нии яркости монохроматического излучения двух тел: эталон­ного и тела, температуру которого измеряют. В качестве эта­лонного тела обычно используют нить лампы накаливания, яр­кость излучения которой регулируется.

Наиболее распространенным прибором этой группы являет­ся монохроматический оптический пирометр с исчезающей ни­тью, принципиальная схема которого приведена на рис. 6.24. Пирометр представляет собой телескопическую трубку с линзой / объектива и линзой 4 окуляра. Внутри телескопиче­ской трубки в фокусе линзы объектива находится пирометри­ческая лампа накаливания 3 с подковообразной питью. Лампа питается ОТ аккумулятора 7 через реостат 6". В цепь питания пирометрической лампы включен милливольтметр 6, конструк­тивно объединенный с трубкой телескопа. Шкала милливольт­метра градуирована в градусах температуры. Для получения монохроматического света окуляр снабжен красным свето­фильтром 5, пропускающим только лучи определенной длины волны. В объективе находится серый поглощающий свето­фильтр 2, служащий для расширения пределов измерения.

При подготовке оптической системы к измерению трубки наводят на тело и передвигают объектив до получения четко­го, ясного изображения тела и нити лампы (в виде резкой чер­ной подковки). Включив источник тока, реостатом регулируют яркость нити до тех пор, пока средняя часть ее не сольется с ос­вещенным телом. В этот момент по шкале милливольтметра отсчитывают температуру тела.

Приборостроительная промышленность выпускает перенос­ные оптические пирометры с исчезающей нитью н различном конструктивном оформлении для температур от восьмисот до нескольких тысяч градусов. Пирометры работают с эффектив­ной длиной волны /. = 0,65 или /. — 0,66 мкм.

Фотоэлектрические пирометры. В этих пирометрах чаще всего используют фотоэлементы с внешним фотоэффектом, в которых возникает электрический ток (фототок), пропорциональный падающему па него световому потоку или, точнее, пропорциональный энергии излучения волн определенного уча­стка спектра.

Фототок, создаваемый фотоэлементами, может непосредст­венно служить мерой температуры измеряемого тела. Такие приборы не отличаются высокой точностью. Более совершенны приборы, фотоэлемент которых используется в нулевом режи­ме как устройство для сравнения двух источников излучения: измеряемого тела и регулируемого источника света.

В фотоэлектрических пирометрах типа ФЭП (рис. 6.25) изображение измеряемого раскаленного тела при помощи объ­ектива / и диафрагмы 2 создается в плоскости одного из от­верстий диафрагмы 3, расположенной перед фотоэлементом 5. Через другое отверстие диафрагмы 3 фотоэлемент освещается регулируемым источником света — электрической лампой 6. Перед фотоэлементом расположен красный светофильтр 4,

Фотоэлемент поочередно с частотой 50 Гц освещается то измеряемым телом, то лампой. Поочередность освещения созда­ется колеблющейся заслонкой в модулятора света 7 вибраци­онного типа. Оба световых потока, попадающие на фотоэле­мент, изменяются в протнвофазе по синусоидальному закону. что достигается специальным профилированием заслонки и от­верстий.

На выходе фотоэлемента возникает фототок. величина ко­торого определяется освещенностью от тема и лампы. При не­равенстве этих освещенности в цепи фотоэлемента возникает переменная фототока, совпадающая по фазе либо с фототоком тела, либо с фототоком от лампы. Переменная составляющая фототока усиливается электронным усилителем 9, имеющим фазо-чувствительную схему. Выходной сигнал усилителя управ­ляет цепью питания лампы 6. Сила тока накала лампы будет изменяться до тех пор, пока освещенности от измеряемого тела и лампы не уравняются и переменная составляющая фототока не станет равной нулю. Тем самым сила тока в лампе окажет

Рис. 6.25. Упрощенная схема фотоэлектрического пирометра типа ФЭП

 

 

Рис. 6.25. Упрощенная схема фотоэлектрического пирометра типа ФЭП

однозначно связанной с яркостной температурой измеряемо­го тела.

Сила тока, питающего лампу, измеряется быстродействую­щим автоматическим потенциометром по величине падения на­пряжения на сопротивлении в цепи лампы. Потенциометр градуируют в градусах яркостной температуры. При измерени­ях температуры выше допустимой для лампы 6 (1400—1500°С) вводится ослабляющий светофильтр, что позволяет довести предел измерения до 4000 °С.

Пирометры типа ФЭП выпускаются одношкальными для измерений температур от 600 до 2000°С или двухшкальными для измерения более высоких температур.

Пирометры спектрального отношения. В пирометрах спект­рального отношения (цветовых), применяемых для промыш­ленных измерений, определяется отношение СЭЯ реального те­ла в лучах с двумя заранее выбранными значениями длины волны. Это отношение для каждой температуры различно, то вполне однозначно.

В большинстве случаев для реальных тел кривые при различных температурах совершенно подобны кривым для абсолютно черного тела, поэтому практически не требуется вводить поправки на неполноту излучения, что является основ­ным преимуществом цветовых пирометров. Принципиальная схема цветового пирометра с фотоэлементом показана на рис. 6.26.

Измеряемое излучение через защитное стекло и объектив 2 попадает на фотоэлемент 4. Между объективом и фотоэле­ментом установлен обтюратор 3, вращаемый синхронным дви­гателем. Обтюратор выполнен в виде диска с двумя отверстия­ми, одно из которых закрыто красным светофильтром К, дру­гое— сипим С. При вращении обтюратора па фотоэлемент по­переменно попадают излучения через красный пли синий свето­фильтр. Спектральная характеристика фотоэлемента зависит от температуры, поэтому фотоэлемент в пирометре заключен в термостат с автоматическим регулированием.

Электрический ток, напряжение которого пропорционально соответствующим интенсивностям излучения, предварительно

Рис. 6.26. Схема пирометра спектрального отношения

усиливается электронным усилителем 5 и преобразуется специ­альным электронным логарифмическим устройством 6 в посто­янный ток, величина постоянного тока зависит от I / T . Выход­ной ток логарифмирующего устройства измеряется указываю­щим или регистрирующим милливольтметром 7. Пределы изме­рения пирометра от 1400 до 2500 ^СС; основная погрешность при измерении температуры физических тел не превышает ±1% т верхнего предела измерений.

 

ГЛАВА 7