Приборы для измерения неэлектрических величин

 

 

        3.1.1. Принцип  работы и конструкция механических  контактных                 

                  термометров

 

 Стеклянные термометры. Принцип измерения стеклянных термометров расширения основан на тепловом расширении жидкостей. Выпускаются следующие разновидности стеклянных термометров расширения.

  Технические ртутные с вложенной  шкальной пластиной внутрь резервуара. Градуированные при погружении  в измеряемую среду хвостовой части, прямые и

угловые.

  Лабораторные ртутные с вложенной шкальной пластиной или палочные

(толстостенные капиллярные трубки  с нанесёнными на внешней поверхности                               отметками шкалы), градуированные  при погружении в измеряемую  среду до

отсчитываемой температурной отметки, прямые наружным диаметром 5-11 мм и длиной 160 - 530 мм. Нижний предел измерения от -30 до +300 оС, верхний от 20  до 600 оС. Цена деления шкалы от 0.1 до 2 оС при диапазоне измерения от 500 до 305 оС. На рисунке 3 показана структурная схема стеклянных термометров.

 

Ртутные стеклянные термометры расширения отличаются высокой точностью измерения, стабильностью градировочной характеристики и малой стоимостью. Однако их хрупкость, невозможность использования в АСУ и значительные динамические, а иногда и методические погрешности ограничивают область применения.

Манометрические термометры. Принцип измерения манометрических термометров основан на изменении давления газа, жидкости или насыщенного пара в замкнутом объёме в зависимости от температуры. Схема манометрического термометра показана на рисунке 4. Выпускаются следующие разновидности манометрических термометров.

Газовые манометрические термометры для измерения температуры в интервале от -50 до +600 оС. Длина капилляра от 1,6 до 40 м, диаметр термобаллона 20 мм, и длина термобаллона до 400 мм.

Газовые термометры выпускаются показывающие и самопишущие, с записью на дисковой диаграмме, с часовым и электрическим приводом. В эти термометры могут быть встроены устройства для сигнализации и позиционного управления, пневматические приставки для передачи показаний на расстояние до 300 м.

Жидкостные манометрические термометры выпускаются в качестве измерительных приборов в интервале температур от -50 до +300 оС.

Конденсационные манометрические термометры выпускаются для измерения температур в интервале от -50 до +300 оС на диапазоны измерения от 50 до 325 оС.

Манометрические термометры могут работать в условиях вибрации, а так же во взрыво- и пожароопасных помещениях. При их использовании следует иметь ввиду специфические погрешности, присущие манометрическим термометрам и вызываемые колебаниями барометрического давления или температуры окружающей среды, а так же взаимным расположением термобаллона и измерительного прибора.

 

            3.2. Электрические контактные термометры

 

Классификация электрических контактных термометров представлена в таблице 2.

 

Таблица 2 – Электрические контактные термометры

Наименование	Термометры сопротивления		Термоэлектрические термометры
Тип	Металлические	Полупроводниковые	Стандартные	В тонком чехле
Принципиальная схема
Пределы измерений, оС	-200…+800	-150…+450	0…1600	0…2500
Погрешность измерения, %	±0.5	±(1…5)	±0.5	±0.5
Инерционность	Большая	Малая	Большая	Малая
Преимущества	Высокая точность; линейная статичес- кая характеристика	Высокая чувствительность; возможные измере- ния в точке	Дешевые; хорошая линейность статической характеристики	Прочность; малая тепловая инерция; линейная статическая характеристика
Недостатки	Невозможно измере ния в точке	Нелинейная статич- ская  характеристика; большой разброс.	Большая тепловая инерция	Неизвестны

 

 

Продолжение таблицы 2

 

Область применения

Энергетика, непре- рывные техноло- гические процессы в химии.

Энергетика, непре- рывные техноло- гические процессы в химии, медецине.

Энергетика, непрерыв ные производства, пищевая  промышлен ность.

Энергетика, непре- рывные производства химия, медеци

 

         3.2.1. Принцип работы и конструкция электрических контактных   

                   термометров 

 

Термометры сопротивления. Принцип измерения температуры термопреобразователями сопротивления основан на зависимости сопротивления материалов от температуры. Выпускаются следующие разновидности термопреобразователей сопротивления: платиновые, медные и полупроводниковые термопреобразователи сопротивления.

В качестве материалов для термопар используется проволока диаметром от 0,1 до 0,2 мм.

Наиболее распространены следующие пары металлических проволок:

1. Платина, и платинородий / 90% Pt и 10% Рг /, Эта термопара является эталонным прибором.

2.  Хромель /90% Ni и 10% Сr/ и алюмель /95% Ni и 5% Аl/. На каждые 100 оС термо - ЭДС этой термопары составляет около 4 мВ.  

3.  Хромель и копель /56% Си и 44% Ni/. На каждые 100 оС термо-ЭДС

этой термопары приходится около 7 мВ.

4. Медь и константан /60% Си и 40% Ni/. На каждые 100 оС термо-ЭДС

этой термопары приходится около 4,3 мВ.

Термоэлектрические преобразователи. Принцип действия термоэлектрического преобразователя основан на термоэлектрических явлениях, в результате которых в цепи. Состоящей из двух разнородных проводников, возникает термо-ЭДС, зависящая от температуры мест соединения этих проводников. Для измерения температуры одно из мест соединения разнородных проводников помещают в измеряемую среду (рабочие концы), а другое место соединения (свободные концы) должно иметь известное значение температур, или находится при стабильной заранее известной температуре. Термо-ЭДС термоэлектрического преобразователя не изменится, если в его цепь будет включён третий проводник или измерительный прибор и температура мест его подсоединения будет одинаковой. Измерительный прибор (или третий проводник) может включаться или в свободные концы, или в термоэлектрод.

 

 

 

 

         3.3. Средства измерения температуры по излучению

 

Для измерения температуры по тепловому излучению тел в промышленности применяются четыре разновидности пирометров. На рисунке 5 представлено устройство пирометра рефракторной системы.

Квазимонохроматические пирометры предназначены для измерения температуры нагретого тела бесконтактным методом путём визуального определения энергетической яркости измеряемого тела при длинах волн, как правило, близких к 0,65 мкм.

Фотоэлектрические пирометры либо измеряют температуру по яркостному методу, либо работают как пирометры частичного излучения. В первом случае используется зависимость температуры от спектральной энергетической яркости, а во втором случае - зависимость от температуры энергетической яркости излучения в ограниченном интервале длин волн.

Пирометры спектрального отношения осуществляют измерение температуры путём измерения соотношения яркостей на двух узких участках длин волн, как правило, в видимой области спектра.

Пирометры полного излучения предназначены для измерения и контроля температуры от -50 до +3500 оС путём измерения полной энергетической яркости тела.

 

         3.4. Вторичные приборы для измерения температуры

 

В качестве вторичных измерительных показывающих и самопишущих приборов в комплекте с термопреобразователями сопротивления применяются логометры и автоматические мосты, а в комплекте с термоэлектрическими преобразователями и пирометрами полного излучения милливольтметры и автоматические потенциометры.

Логометры и милливольтметры в силу своей простоты и надежности широко используются как показывающие и сигнализирующие приборы для местного и

дистанционного контроля температуры.

Логометры работают только в комплекте с датчиками температуры - термометрами сопротивления соответствующих градуировок; милливольтметры - с термоэлектрическими преобразователями температуры (термопарами).

Магнитоэлектрические логометры предназначены для измерения и регистрации температуры, измеряемой термопреобразователями сопротивления, а так же для измерения других параметров с помощью преобразователей сопротивления.

Милливольтметры магнитоэлектрической системы предназначены для измерения, записи и регулирования температуры и других неэлектрических величин, изменение значения которых может быть преобразовано в изменение напряжения постоянного тока.

Регистрирующие мосты и потенциометры позволяют регистрировать контролируемые параметры с записью их значений на диаграммной ленте, осуществлять в зависимости от конструкции прибора одновременный контроль от одного до двенадцати параметров, а также выдавать автоматическую сигнализацию их предельных параметров.

На рисунке 6 показаны наиболее распространенные приборы данной группы.

Автоматические регистрирующие приборы типа КСУ-2 (мосты, потенциометры и приборы с дифференциально-трансформаторной схемой) работают с электронными усилителями типа УПД (УПД-1, УПД-2, УПД-3).

В одноканальных приборах типов КСУ-2, КСУ-4 регистрация измеряемой величины производится непрерывно на диаграммной ленте при движении каретки вдоль шкалы. Записывающее устройство одноканального прибора состоит из пишущего узла, закрепленного на каретке.

В многоканальных приборах регистрация измеряемой величины осуществляется циклично нанесением на диаграммной ленте цветных точек с указанием порядкового номера канала в момент остановки каретки. Цифра, появившаяся в окошке каретки, указывает на номер канала, сигнал которого будет зафиксирован в последующий цикл печатания.

Регистрирующее устройство многоканального прибора состоит из непосредственно печатающего барабана с нанесенными на его поверхность точками с соответствующими цифрами. В зависимости от типов самих регистрирующих приборов устанавливаются соответствующие печатающие устройства на 4, 6 и 12 точек измерения. Для удобства контроля и расшифровки контролируемых параметров питающее устройство имеет обойму фетровых секторов, пропитанных краской различных цветов.

Дилатометрические сигнализаторы температуры типов ТРДЭ, ТУДЭ, ТР-200 работают на принципе разного коэффициента линейного расширения различных материалов при одной контролируемой температуре. На рисунке 7 представлен дилатометрический сигнализатор температуры ТРДЭ.

При изменении температуры объекта латунная трубка 1  привода ТРДЭ, имеющая больший коэффициент линейного расширения, чем кварцевый стержень 2, увеличит свое удлинение более чем стержень. Вследствие этого изменяется положение перекидного рычага 4, который своим противоположным концом переключает контакты микропереключателя 5. Сигнализаторы ТРДЭ имеют регулировку задания температуры (задатчик 7) дифференциала температуры (задатчик 6) .

 

 

 

                4.   ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОЕМКОСТИ

 

Измеритель теплоемкости КДМ-с-900. Прибор позволяет проводить измерения теплоемкости различных веществ на образцах в виде стержней диаметром 15 мм и высотой 15 мм с двумя отверстиями диаметром 2,6 мм и 1,5 мм. При исследовании порошкообразных веществ они помещаются в ампулу, снабженную для выравнивания температурного поля перегородками. Прибор основан на импульснодинамическом методе измерения. Теплоизмернтельная ячейка прибора показана на рисунке 8. Образец 2 размещается внутри изотермической полости, образованной съемной медной оболочкой 1 и основанием 4, и  плотно надевается на две трубочки 3 и 7 из стали 12Х18Н10Т. В одной из них размещается малоинерционный импульсный нагреватель с двумя токовыми и двумя потенциальными выводами, в другой - термопара. Мощность нагревателя не превышает 2 Вт. Для обеспечения изотермичностн полости контакт между основанием и оболочкой осуществляется по развитой поверхности. В трубках 8 и 5 монтируются термопары для измерения температуры оболочки и, основания. Концы  нагревателя  и  термопар  выводятся  через пластину 6.

 На различных уровнях температуры  в приборе измеряются перепад  температур между образцом и  оболочкой, мощность нагревателя W и разность температур между образцом и основанием δо.ос. Измерения проводятся со скоростью разогрева 0,05—0,1 К/с. Расчетная формула для с (t) с учетом особенностей конструкции изменяется по формуле [2]

 

где Сл учитывает теплоемкость нагревателя и термопары в образце, а поправка

σR =Δδ о.ос/[ Rн  (W + Wдоп.)] —изменение перепада температур между образцом и основанием; Wдоп характеризует теплоту, выделяющуюся в токовых проводах нагревателя внутри трубки 7 . Для стабилизации теплообмена между образцом и оболочкой и снижения поправки δа внутренняя поверхность оболочки; полирована, а зазор между ними не превышает 1 мм. Поправка δа в этих условиях при δк < 10 К не превышает 1 %. Поправка δb при нелинейности разогрева kbτ ~10­3 1/К и Δtс < 10 К составляет 2 % и для ее учета целесообразно предварительно изучить режим разогрева теплоизмернтельной ячейки.

Погрешность измерения на приборе КДМ-с-900 не превышает 3 %. Наибольший вклад в нее вносят следующие источники: погрешности оценки Сл (до 0,6 %), определения дополнительной мощности Wдоп (до 0,5 %.), инструментальные погрешности измерения W (до 0,2 %), погрешности оценки поправок σа, σb, σR и σc. Последняя особенно возрастает вблизи зон фазовых переходов, где параметр  kc может достигать  значений  10-2 К-1и  более.