10.3 Приборы для измерения температуры

Действие приборов для измерения температуры большей частью основано на способности тел изменять свой объем при нагревании (расширяться), изменять электрическое сопротивление при нагрева­нии, создавать электрический ток при нагревании мест спая разнородных металлов. В соответствии с этим они разделяются на группы: 1) термометры расширения, 2) манометрические термометры, 3) термоэлектрические пирометры и термопары, 4) электрические термометры сопротивления и 5) пирометры излучения.

В термометрах расширения использовано свойство тел изменять свой объем от нагревания. Они разделяются на: а) жидкостные стек­лянные; их действие основано на разности теплового расширения жид­кости и стеклянного сосуда, в котором она находится; б) стержневые, или дилатометрические, имеющие два помещенных рядом стержня (или стержень внутри трубки) из разных материалов, величина удли­нения которых при одном и том же изменении температуры различна; в) биметаллические, температуру по которым определяют по изги­банию или выпрямлению пластинки из спаянных по всей длине разных. металлов, имеющих неодинаковые температурные коэффициенты рас­ширения.

Действие манометрических термометров основано на том, что при нагревании жидкости или газа, находящихся в наглухо закрытом сосуде, давление внутри сосуда будет повышаться тем больше, чем выше температура нагрева сосуда и находящейся в нем жидкости или газа. Давление в такой замкнутой системе воспринимается манометрической пружиной и измеряется манометром со шкалой, отградуированной в градусах. Манометрические термометры бывают жидкостные, газовые и паровые.

Термоэлектрические пирометры и термопары действуют по принципу термоэлектрического эффекта, характеризующегося возникновением электродвижущей силы при нагревании спая двух различ­ных термоэлектродов. Если спаять или сварить между собой концы двух проволок из разных металлов, то при нагревании одного из соединений в цепи, образованной проволоками, возникнет термоэлектродвижущая сила. Ее величина будет тем больше, чем больше разница температур нагретого и не нагретого конца (холодного спая).

В электрических термометрах сопротивления использовано свой­ство металлического проводника менять свое электрическое сопротив­ление в зависимости от температуры.

Действие пирометров излучения основано на том, что все тела, на­гретые до 550 °С (823 К), начинают излучать видимые световые лучи. С повышением температуры лучеиспускательная способность тела увеличивается. Это свойство используют для измерения температур. Пирометры излучения подразделяются на пирометры частич­ного излучения, или оптические, и пирометры полного излучения — радиационные.

Схема дилатометрического Конструктивные формы биме-

термометра 1- трубка; 2- стержень таллического термометра:

а - плоская спираль;

б - цилиндрическая спираль

Жидкостные термометры

Принципиальная схема Баллон манометрического

манометрического жидкостного жидкостного термометра:

термометра:

термобаллон; 2- соединительная трубка; 3-капилляр; 4- шестерня; 5-пружина; 6- тяга; 7- зубчатый сектор; 8- держатель.

1- термобаллон; 2- капилляр; 3- соединительная трубка; 4- переходная втулка; 5-гибкая защитная оболочка.

Для компенсации погрешности из-за изменений температуры параллельно с основным капилляром прокладывают второй капилляр с самостоятельной измерительной системой, механически связанной с основной системой. Благодаря этому приращение дав­ления из-за изменения окружающей температуры в обоих капиллярах взаимно уничтожается.

Погрешности в измерениях возникают в том случае, когда термобаллон расположен выше или ниже пружины. На пружину действует давление столба жидкости (гидростатический напор).

Газовые термометры

В манометрических газовых термометрах в отличие от жидкостных вся система заполнена газом: воздухом, водородом, гелием, а чаще всего азотом. Пределы измерения температуры газовыми приборами от минус 60 до +550 °С {213—823 К).

Измеритель манометрического газового термометра состоит из многовитковой трубчатой пружины 3, соединенной капилляром 1 с термобаллоном 6. Деформация трубчатой пружины заставляет поворачиваться ось 4, которая через систему рычагов поворачивает ось 5 со стрелкой или пером.

Паровые термометры

Они аналогичны жидкостным и газовым термометрам. Термобаллон заполняют на 2/3 или 3/4 жидкостью, кото­рая кипит при низких температурах (ацетон, метилхлорид, этилхлорид и др.), а остальную его часть — ее парами. Пружину и капилляр заполняют жидкостью, которая служит только для передачи давления от термобаллона к пружине, а сама не испаряется.

В отличие от жидкостных и газовых манометрических термометров паровые термометры имеют неравномерные шкалы. Пределы измерения ими температуры от 0 до +250 °С (273—523 К). Основная допустимая погрешность показаний ±2,5 % максимального значения шкалы.

Термоэлектрические пирометры, принцип действия.

Сущность термоэлектрических явлений заключается в том, что в цепи, составленной из двух неоднородных проводников, при неодинаковых температурах в месте соприкосновения их свободных концов возникает термоэлектродвижущая сила (ТЭДС).

Термоэлектродные пары Схема термоэлектрического пи-

рометра:

1 - рабочий конец; 2 - свободный конец: 3- соединительные провода;

4-элект­роизмерительный прибор

Если спаять концы двух проводников А и Б (рисунок) из разнород­ных металлов, то при нагревании одного конца в замкнутой цепи потечет электрический ток. Величина электродвижущей силы будет зависеть от того, из какого материала составлена пара проводников. Соединенные между собой проводники называют термопарой, а сами проводники — термоэлектродами, или электродами.

Электрод, по которому электрический ток идет от нагретого спая,— положительный, а другой, по которому ток идет в направлении спая,— отрицательный. При одинаковой температуре в спаях 1 и 2 электродвижущие силы будут равны и направлены навстречу друг другу. В этом случае в замкнутой цепи ток не потечет (см. рисунок, слева). При нагреве одного конца ток потечет в направлении, показанном на рисунок, справа.

Если разъединить свободный конец (холодный спай) и включить в цепь милливольтметр, то такая установка будет называться термо­электрический пирометр. Когда свободный конец t0 будет иметь постоянную температуру, электродвижущая сила будет зависеть только от степени нагрева рабочего конца t термопары, что позволяет отградуировать пирометр в соответствующих единицах температуры. Абсолютная величина ТЭДС невелика, поэтому для ее измерения нужны очень чувствительные приборы — милливольтметры или по­тенциометры. Термоэлектрический пирометр, таким образом, состоит из трех частей: термопары, соединительных проводов и измеритель­ного прибора.

При измерениях большое значение имеет температура свободного конца термопары t0, которая должна быть постоянной. С этой целью свободный конец отводят в места с низкой и постоянной температурой. Для этого к электродам термопары присоединяют компенсационные провода из того же термоэлектродного материала (таблица 1). Если электроды термопар изготовлены из дорогостоящих материалов, применяют компенсационные провода, которые развивают ТЭДС, равную или близкую ТЭДС, развиваемую этими термопарами.

Для исключения погрешности от изменения температуры свободных концов применяют термокомпенсационные коробки, обеспечивающие дополнительную разность потенциалов, пропорциональную изменению температуры холодных концов термопары.

Таблица 1. Характеристики термопар

Температура рабочего конца		ТЭДС. в мВ для термопар
в °С	в К	платинородий-платиновых S (ТПП)	хромель-алюмелевых K (ТХА)	хромель-копелевых L (ТХК )
0	0	0	0	0
100	373	0,646	4,096	6,862
200	473	1,441	8,138	14,560
300	573	2,323	12,209	22,843
400	673	3,259	16,397	31,492
500	773	4,233	20,644	40,299
600	873	5,239	24,905	49,108
700	973	6,275	29,129	57,859
800	1073	7,345	33,275	66,466
900	1173	8,449	37,326	—
1000	1273	9,587	41,276	—
1100	1373	10,757	45,119	—
1200	1473	11,951	48,838	—
1300	1573	13,159	52,410	—
1400	1673	14,373	—	—
1500	1773	15,582	—	—
1600	1873	16,777	—	—

Коробку холодного спая помещают в местах с постоянной темпера­турой, куда подводят компенсационные провода от термопар. От коробки к приборам проводят медные соединительные провода. Градуировочные данные термопар при температуре свободных концов 0 °С (273 К)

Потенциометры, принцип действия

Потенциометры (компенсационные приборы) применяют в качестве вторичных приборов термоэлектрических пирометров. Принцип их действия заключается в уравновешивании (компенсации) ТЭДС, термопары равным ей напряжением постороннего источника тока.

На рисунок10.12, а показан принцип действия потенциометра. Так как от внешнего источника (на схеме не показан) через сопротивление, равное R, протекает ток постоянной силы, то падение напряже­ния Е на реохорде по закону Ома будет тоже строго постоянным и равным E=IR.. Если присоединить один конец термопары к подвижному контакту С, а другой — к концу В реохорда, то разность потен­циалов на участке СВ будет равна: RсвI. Но сопротивление Rcв пропорционально длине СВ, поэтому, чем дальше от конца В реохорда будет расположен контакт С, тем большая э. д. с. будет поступать на термопару.

Рисунок 10.12 Принцип действия (а) и принципиальная схема (б) потенциометра:

R — реохорд; АВ — концы реохорда; С —подвижный контакт; Rc —регулирующий реостат; НЭ — нормальный элемент; Б — батарея; К — переключа­тель; Г — гальванометр; ТП — термопара

Реохорд R, изготовленный из однородной проволоки одинако­вого сечения, будет иметь сопротивление, пропорциональное его длине. Реохорд можно подобрать таким, что падение напряжения на участке между А и В будет точно соответствовать величине ТЭДС, развиваемой термопарой. Это позволяет подсчитать падение напряжения на единицу длины реохорда, нанести соответствующие отметки на помещенной вдоль реохорда шкале и отградуировать ее в мВ или ^оС (по градуировке термопары), а указывающую стрелку прикрепить к подвижному контакту С.

Наиболее простая принципиальная схема потенциометра с постоян­ной силой рабочего тока в компенсационной цепи показана на рисунок10.12, б. Реостат Rс служит для установки нормальной силы тока в цепи реохорда R при помощи нуль-прибора по нормальному элементу НЭ, который дает постоянное напряжение при 20 °С (293 К), рав­ное 1,0183 В. Источником тока служит сухой элемент Б.

Проверку контура (стандартизацию) проводят так. Переключате­лем К нормальный элемент НЭ включают через нуль-прибор на сопротивление Rнэ, по которому идет ток от батареи Б. При нормальной силе тока падение напряжения на сопротивлении Rнэ будет равно (так подобрано сопротивление Rнэ) 1,0183 В, и стрелка нуль-прибора покажет нуль. Если этого не будет, изменяют сопротивление регулирующего реостата Rс. до тех пор, пока стрелка не займет среднего нулевого положения. После этого к нуль-прибору подключают термопару, а нормальный элемент отключают.

Преимущество потенциометра перед милливольтметром — большие точность и чувствительность. Это объясняется тем, что на показания прибора не влияют изменения внешней цепи (проводов, контактов термопар); кроме того, потенциометр не имеет недостатков, присущих милливольтметрам (трение в опорах, влияние температуры и пр.).

Устройство потенциометров

Потенциометры с ручной наводкой. Это лабораторные и перенос­ные приборы для контрольных измерений. Шкалы их размечены в милливольтах. Для градуировки и поверки наиболее точных милливольтметров и потенциометров применяют лабораторные потенциометры первого и второго классов.

Переносные потенциометры типа ПП-63 широко применяют в промышленности. Они служат для поверки милливольтметров, термопар, а также автоматических потенциометров на рабочих местах. Потенциометры типа ПП являются приборами третьего класса и предназначены для измерения компенсационным методом электродвижущей силы с абсолютной погрешностью +0,1 мВ.

Электронные автоматические потенциометры типа КСП. Их при­меняют для измерения, записи и регулирования температуры.

На рисунок10.13 показана измерительная схема прибора. В основе его лежит метод измерения напряжения по компенсационно-мостовой схеме, составленной из трех плечевых сопротивлений Rб, RK, Rм и четвертого с реохордом R и балластного сопротивления R6. Источник постоянного напряжения Е подключен к вершинам диагонали моста CD последовательно с сопротивлением Rр. К вершинам диагонали моста АВ' подключается через электронный усилитель термопара ТП.

Схема находится в равновесии, если измеряемая ЭДС, термопары равна падению напряжения на реохорде R. При изменении ЭДС подается на вход усилителя сигнал, преобразующийся вибропреобразователем Вп в переменный ток, который усиливается и приводит в действие реверсивный двигатель РД. Двигатель перемещает ролик реохорда, пока не установится равновесие в измерительной схеме. Так как каждому положению ролика на реохорде соответствует опре­деленное значение ТЭДС термопары, стрелка показывает на шка­ле температуру ее рабочего конца.

Рисунок 10.13 Измерительная схема потенциометра типа ЭПД: Rм, Rк , Rб — плечевые сопротивления; Лб — балластное сопротивление; Е— источник постоянного тока; CD, AB' — вершины диагоналей моста; Rр —регулировочное сопротивление; ТП — термопара; Вп - вибропреобразователь; ПК. — переключатель

Потенциометр имеет измерительный мост, который составлен из двух ветвей — рабочей и вспомогательной. В первую включен реохорд R, во вторую — вспомогательную — плечевые сопротивления RM для компенсации температуры свободных концов и Rр для установки рабочего тока.

В современных потенциометрах используются стабилизированные источники тока и его установка не требуется.

Термометры сопротивления, принцип действия

Измерение температуры электрическими термометрами сопротивления основано на изменении сопротивления электрического проводника при изменении его температуры. Если известна зависимость между температурой и сопротивлением, то по сопротивлению проводника можно определить его температуру. Измерительная установка состоит из термометра сопротивления, измерительного прибора и источ­ника тока.

Электрические термометры сопротивления применяют в тех слу­чаях, когда требуется повышенная точность измерения в пределах от минус 150 до +500 °С (123—773 К), так как жидкостные термометры не позволяют передавать показания на расстояние, а термоэлектрические пирометры не дают достаточно точных показаний при замерах температур до 200—300 °С (473—573 К).

Материал проводника, применяемого для изготовления чувстви­тельного элемента термометра сопротивления, должен быть устойчив в процессе работы, не изменять своих физических свойств под воздей­ствием окружающей среды и быть механически прочным. Наиболее подходящими являются платиновая проволока диаметром 0,05— 0,10 мм и медная диаметром 0,10 мм. Платину применяют для изго­товления рабочих и образцовых термометров, измеряющих темпера­туру в интервале от минус 200 до +630 °С (73—903 К) и эталонных от минус 183 до +630 °С (90 — 903 К). Пределы измерения для рабочих термометров от минус 120 до +500 °С (153—773 К). Медь пригодна при температурах, не превышающих 150 °С (423 К). В этих пределах она обладает стойкостью против окисления.

Платиновые и медные термометры сопротивления взаимозаменяе­мы. Для платиновых термометров типа ТСП приняты значения началь­ного сопротивления (R0 при 0 °С) 10, 46 и 100 Ом, для медных типа ТСМ —53 и 100 Ом.

Градуировками электрических термометров сопротивления яв­ляются для медных — гр. (градуировки) 50 М, 100 М, для платиновых — гр. 50 П, 100 П.

Устройство электрических термометров сопротивления

Медные термометры сопротивления. Они представляют собой ста­льную или латунную трубку с помещенным внутри чувствительным элементом. Элемент состоит из каркаса 1 (рисунок 10.14, а), выполненного из пруткового текстолита, на который намотано несколько слоев медной изолированной прово­локи диаметром 0,1 мм. К началу 2 и концу 3 обмот­ки припаяны медные выводы для присоединения их к зажимам головки термометра, а сам элемент помещен в латунную трубку для защиты его от повреждений. Головка термометра сопротивления такая же, как у термопары.

Сопротивление медных термометров при 0 °С (273 К) равно 53±0,1 Ом. Их применяют для изме­рения температур от минус 50 до 150 °С (223— 423 К) и изготовляют длиной от 500 до 2000 мм с глубиной погружения (рабочей длиной) от 150 до 1900 мм (в зависимости от условий работы).

Минимальная рекомендуемая глубина погружения всех термометров 150 мм.

Рисунок 10.14 Элементы электрических термометров сопротивления:

а - медного; 1 — каркас; 2 — начало обмотки; 3 — конец обмотки;

б — платинового на слюдяной пластинке; в — платинового в защитной оболочке; 1 — выводы из серебряной проволоки; 2 — защитные слюдяные пластинки; 3 — серебряная лента; 4 — платиновая проволо­ка; 5 — слюдяная пластинка с нарезкой; б — чувствительный элемент; 7 — защитная оболочка.

Платиновые термомет­ры сопротивления.

Чувст­вительный элемент изготовляют из платиновой про­волоки 4 (рисунок 10.14 б, в) диаметром 0,07 мм, которая бифилярно (чтобы обеспечить безындукционность обмотки) намотана на слюдяную пластинку 5. Для защиты на­мотки от повреждений пластинка с двух сторон закрыта слюдяными пластинками 2 таких же размеров и скреплена серебряной лентой 3. К концам платиновой проволоки припаяны выводы 1 из серебряной про­волоки. Чувствительный элемент 6 находится в защитной оболочке 7 из нержавеющей стали или алюминия. Элемент с защитной оболочкой

помещен в наружной арматуре (такой же, как у медных термометров сопротивления). В головках термометров имеется 3, 4 или 6 зажимов.

Логометры

По принципу действия они являются магнитоэлектрическими при­борами. Их подвижная система состоит не из одной рамки, как у милливольтметров, а из двух рамок, жестко связанных друг с другом.

Принципиальная схема логометра со скрещенными рамками показана на рисунок10.15 . По такой схеме работает логометр типа ЛПр-53. Подвижная система состоит из двух рамок Rp и R'p, скрещенных под острым углом. Рамки намотаны из медной проволоки и помещены в неравномерное магнитное поле между сердечником 2 и полюсными наконечниками. Рамки могут поворачиваться на кернах, опирающихся на агатовые подпятники. Неравномерность магнитного поля создается тем, что полюсные наконечники имеют овальные вырезы при цилиндрическом сердечнике. Благода­ря этому напряженность магнитного поля по мере изменения угла при повороте ра­мок различна. Наибольшая напряженность магнитного поля у середины полюсных наконечников, наименьшая — в зазоре у краев.

Ток к рамкам подводится по трем спиральным пружинкам с очень малым про­тиводействующим моментом. Угол поворота подвижной системы зависит от отношения сил токов, проходящих в рамках, пели термометр под влиянием температуры изменит свое сопротивление, то через одну рамку логометра пойдет ток большей силы и система будет поворачиваться в сторону большего момента. При повороте подвижной системы рамка, по которой течет ток большей силы, переходит в место, где поле более слабое, и момент, действующий на рамку, уменьшается. Одновременно другая рамка, поворачиваясь в том же направлении, входит в место, где поле более сильное, и вращающий момент ее увеличивается. Рамки перестанут перемещаться, когда их вращающие моменты сравняются. Угол отклонения стрелки будет пропорционален изменению сопротивления термометра и, следовательно, его температуры, что дает возможность градуировать шкалу логометра в градусах.

Этот тип логометра может быть использован в двухпроводной и трехпроводной схемах включения. При трехпроводной схеме, исключающей влияние на измерение колебаний сопротивления линии, каждый из проводов линии, соединяющей термометр сопротивления с логометром, вместе с уравнительной катушкой имеет сопротивление, равное половине сопротивления линии, указанного на циферблате прибора. Это достигается подгонкой провода, намотанного на уравнительной катушке.

Рисунок10.15 . Принципиальная схема логометра со скрещенными рамками:

1 — полюсные наконечники: 2 — сердечник; R1, R2 — сопротивле­ния; Rt.—сопротивление термомет­ра; — рамки подвижной системы

Равновесные мосты

Равновесные мосты применяют при измерении температуры термометрами сопротивления по нулевому методу. Они позволяют полу­чать измерение повышенной точности.

Принцип действия. Если предположить, что при положении движ­ка реохорда в точке нуля и температуре термометра 0 °С (273 К) мост сбалансирован, то при повышении температуры термометра его сопротивление увеличится, и баланс моста будет нарушен. Чтобы вновь сбалансировать мост, необходимо передвинуть движок реохорда к точке 6 (рисунок 10.16) и этим уменьшить сопротивление плеча соответственно увеличив величину . Таким образом, каж­дому значению температуры термометра сопротивления будет соответствовать определенное положение движка на реохорде Rp, при котором мост будет сбалансирован и стрелка нуль-прибора станет в нулевое положение.

Шкала, вдоль которой перемещается движок, может быть отградуирована в градусах температуры.

Электронные автоматические равновесные мосты типа КСМ. Они служат для измерения, записи и регулирования температуры. Термометр сопротивления включен в одно из плеч моста, источник питания— в диагональ моста ВГ (рисунок 10.16). Источником питания служит вторичная обмотка силового трансформатора. Контакт, перемещающийся вдоль реохорда Rp, изменяет соотношение сопротивлений частей АА' и АА" реохорда, которые включены в плечи моста ВА и АГ. Каждому положению контакта реохорда соответствует определенное значение температуры термометра. Одновременно с перемещением контакта перемещается каретка указателя шкалы.

При изменении температуры изменяется сопротивление термо­метра, равновесие моста нарушается и между точками А и В возни­кает напряжение, которое усиливается и заставляет вращаться реверсивный двигатель. Двигатель кинематически связан с контактом реохорда и перемещает его до тех пор, пока в схеме не наступит рав­новесие. Каретка со стрелкой занимает положение соответственно сопротивлению термометра, а следовательно, и температуре. Значение температуры записывается на диаграмме пером, укрепленным на каретке.

В многоточечном приборе запись на диаграммной ленте осуществляется путем последовательного переключения всех соединенных с ним термометров.

Рисунок 10.16. Схема равновесного моста, принципиальная измерительная схема моста

R1- R3 - постоянные проволочные сопротивления плеч моста, сопротивление термометра сопротивления, Б – батарея, Rл-сопротивление для подгонки сопротивления внешней линии, Rp - рео­хорд; ИП — источник питания; А, Б, В, Г — вер­шины моста; АА', АА" — участки реохорда.

После каждого переключения и наступления равновесия печатающий механизм отбивает точку с порядковым номером термометра, после чего переключатель включает следующий термометр сопротивления и т. д. Точки образуют ряд линий на движущейся ленте, которые показывают изменение измеряемой температуры.

В корпусе прибора размещены электронный усилитель, сухой элемент (в мостах постоянного тока), тумблеры и колодки для внешних соединений. На поворотном кронштейне расположены переключатель термометров сопротивления, реохорд, катушки измерительной схемы, синхронный и реверсивный двигатели, лентопротяжный механизм и регулирующие устройства.

Реохорд состоит из двух проволочных спиралей, намотанных на изолированные медные шины. Одна из спиралей рабочая, другая служит для отвода тока. Контакт реохорда перемещается с помощью двигателя и контактирует одновременно с двумя спиралями.

Электронный усилитель включает в себя преобразовательный каскад, усилители напряжения и мощности.

Пирометры с исчезающей нитью

Пирометры с исчезающей нитью являются оптическими пиромет­рами. Они измеряют температуру по методу сравнения яркости двух тел, из которых одно является телом, температуру которого измеряют, а другое — нитью лампы накаливания.

Схема оптических пирометров ОППИР-55 и ОППИР-45 приведена на рисунок 10.17. Оптическая система прибора содержит объектив 1, окуляр 4, светофильтр 2, помещенный между лампой 3 и объективом. Светофильтр 2 вводится при измерении температур более 1400 °С (1673 К), что позволяет измерять температуру до 2000 °С (2273 К) при температурах фотометрической лампы ниже 1400 °С (1673 К).

При измерении более высоких температур - до 3000 °С (3273 К) — вводят более плотный светофильтр. Красный светофильтр 5, установленный между глазом наблюдателя и окуляром 4, вводят при измерении температур до 900 °С (1173 К). В электрическую, часть схемы входят вольтметр 8, выключатель 9 и реостат 10. Для питания схемы служит аккумулятор 11 напряжением 2,0—2,6 В. Все детали прибора, кроме аккумулятора, смонтированы в алюминиевом корпусе. Аккуму­лятор находится в отдельном футляре и соединен с телескопом про­водом.

Внутреннее устройство оптического пирометра ОППИР-55 пока­зано на рисунок10.17. В передней части корпуса 1 находится объектив 2, в средней части лампа 5. Для регулировки тока служит кольцевой реостат 14, регулировку производят поворотом кольца 15 с движком. Находясь в крайнем положении, движок замыкает контакты 8 подвижной рамки 7 для стабилизации подвижной системы. На приборе имеется выдвижная оправа 9 с окулярной системой, несущая линзу 12, красный фильтр 10 и диафрагму 11. При измерении температур выше 1300 °С (1573 К) между излучателем и лампой 5 устанавливают поворотом головки 4 серый фильтр 5, предохраняющий лампу от перегрева. Соответственно этому производят отсчет по одной из двух шкал: 800—1400 °С (1073—1673 К) — серый фильтр выведен или 1200—2000 °С (1473—2273 К) — серый фильтр введен.

Рисунок 10.17 Принципиальная схема оптических пирометров

1 — объектив; 2, 5—светофильтры; 3 — лампа; 4—окуляр; 6 — диафрагма; 7 — нить накала; В — вольтметр; 9 — выключатель; 10— реостат; 11 — аккумулятор; 12 — излучатель

Радиационные пирометры

Эти приборы определяют температуру путем измерения энергии, излучаемой нагретым телом. Они представляют собой телескоп, который собирает при помощи линзы в одной точке — фокусе — поток лучей, излучаемых нагретым телом. В фокусе находится теплочув-ствительный элемент, воспринимающий лучистую энергию. Термоэлектродвижущую силу, развиваемую элементом, измеряет милливольтметр или потенциометр.

К теплочувствительному элементу предъявляют ряд требований. Он должен работать в интервале температур от +20 °С (293 К) до 150 °С (373—423° К), который соответствует максимальному пределу измерений 1600—2000 °С (1873—2273 К). Наиболее часто в радиационных пирометрах применяют термо­электрический приемник, изготовленный из нескольких термопар (чаще все го хромель-копель), соединенных последовательно в термо­батарею.

Радиационный пирометр типа РП предназначен для измерения температур от 900 до 1800 °С (1173—2073 К). Лучи от исследуемого предмета собираются линзой 5 (рисунок 10.18) и фокусируются на рабочую термопару.

Рисунок 10.18. Схема радиационного пирометра типа РП:

1 — окуляр; 2 — чувствительный элемент; 3 — баллон; 4 — диафрагма; 5 — линза; б —корпус телескопа; 7 — штуцер; 8— цоколь; 9— рукоятка; 10 — защитное стекло; 11 — панель; 12 — милливольтметр

10.4 Приборы для измерения уровня

Гидростатические измерители уровня

В основу принципа измерения уровня этими приборами положено измерение гидростатического давления, создаваемого столбом жидкости. Это давление равно удельному весу жидкости, умноженному на высоту столба. Следовательно, зная удельный вес и измерив давление столба жидкости на дне резервуара, можно определить уровень жидкости.

Рисунок 10.19 . Схема измерения уровня с помощью погруженного колокола: 1 — колокол; 2 — резервуар; 3 — измерительный прибор

Существуют различные конструкции гидростатических уровнемеров.

Измерение уровня в резервуарах, расположенных ниже места установки измерительного прибора, производят с помощью колокола 1 (рисунок10.19), погруженного в резервуар 2 и соединенного тонкой трубкой с измерительным прибором 3 — жидкостным или пружинным манометром (в зависимости от пределов измерения уровня). При измерении уровня агрессивных жидкостей колокол закрывают мягкой, стойкой в данной среде мембраной. В этим случае прогиб мембраны изменяет объем воздуха, заключенного в колоколе и соединительной трубке, создавая повышенное давление, которое определяют манометром. Применение гидростатических уровнемеров с погруженным колоколом требует абсолютной герметичности соединительной линии, так как даже незначительная неплотность вызывает утечку воздуха из системы и искажает показания прибора. Диапазон измерения от 1000 до 5000 мм. вод. ст. и более, основная погрешность ±2,5%.

Поплавки изготовляют из металла, стекла, пробки, пористого стекла, пластмасс и пр.

В буйковом уровнемере буек погружен не на постоянную глубину, а в зависимости от уровня жидкости и ее плотности. Буек на основании закона Архимеда теряет в своем весе столько, сколько весит вытесненная им жидкость, и в зависимости от этого по-разному растягивает пружину. Перемещения буйка преобразовываются в электрические или пневматические сигналы и передаются на вторичный прибор, шкала которого отградуирована в линейных единицах уровня жидкости. Буйки обычно делают из металла (нержавеющей стали).

Буйковые уровнемеры широко применяют для измерения как уров­ня жидкости, так и уровня раздела между двумя несмешивающимися жидкостями (например, водой и бензином). Диапазон измерения от I до 10 м, условное давление в емкостях 16—40 бар, максимальная температура измеряемой среды 200 °С (473 К), основная погрешность ±2,5 %; они пригодны для измерения уровня жидкостей с удельным весом 0,6—1,2 г/см³.

Указатели уровня жидкости типа ВУУЖ являются приборами буйкового типа и служат для местного (визуального) измерения. Их применяют в основном для измерения уровня сжиженных газов в горизонтальных и вертикальных цилиндрических емкостях, находящихся под давлением, при температурах рабочей среды и окружающего воздуха от минус 40 до +40

°С (233—313 К).

Узлом для преобразования выталкивающей силы буйков в пока­зания уровнемера ВУУЖ служит гидравлическая система, состоящая из манометрической трубки, капилляра и сильфона. Гидросистему после тщательного глубокого вакуумирования заполняют глицериио-спиртовой незамерзающей жидкостью. Как уже было сказано, изменение уровня жидкости в резервуаре вызывает соответствующее изме­нение выталкивающей силы, действующей на буек. В результате изменяется усилие пружины, сжимающей сильфон гидросистемы. Это усилие создает в гидросистеме давление, пропорциональное уровню измеряемой среды, которое фиксируется манометром.

Указатель типа ВУУЖ монтируют на горловине резервуара. Прибор можно устанавливать в закрытых помещениях и на открытом воздухе.

Поплавковый электрический уровнемер типа УЭД

Предназна­чен для местного и дистанционного измерений уровня жидкости в резервуарах, работающих при атмосферном и избыточном давлениях до 6 бар и при вакууме. В основу его действия по­ложен принцип следящей системы: подвешенный на гибкой перфорированной ленте поплавок непрерывно следует за уровнем жидкости в резервуаре. При изменении уровня изменяется глубина погружения поплавка, а следовательно, и его вес, в результате чего срабатывает реверсивный электродвигатель. Он приводит во вращение ведущий ролик, барабанный счетчик местного отсчета уровня и поворачивает ротор сельсин-датчика для телеметрической передачи показаний на вторичный прибор до тех пор, пока поплавок не примет нормального положения.

Датчик устанавливают непосредственно на крышке резервуара (емкости), а вторичный прибор в операторной. Основным yзлом вторичного прибора является пятизначный барабанный счетчик, связанный редуктором с сельсин-приемником. Таким образом, с помощью сельсинной передачи показания вторичного прибора дублируют показания уровнемера.

Уровнемером типа УЭД можно измерять уровень нефтепродуктов, сжиженных газов и продуктов, содержащих до 2 % сероводорода. При измерении уровня вязких продуктов, например мазута, масел, их надо подогревать. Уровнемер может работать при температуре окружающего воздуха от минус 40 до +50 °С (233—323 К). При работе прибора на судах, плавучих бункеровочных станциях крен судна во время измерения не должен превышать 3°. Для работы во взрывоопасных цехах и на установках нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводов применяют уровнемер типа УЭД во взрывозащищенном исполнении. Предел измерения прибора 10 м, основная допустимая погрешность 1 мм.

Электромеханический уровнемер для сыпучих материалов. На технологических установках нефтепереработки, например каталитического крекинга, нужны уровнемеры для контроля уровня сыпучих материалов (катализатора) в аппаратах.

Действие такого прибора основано на сочетании следящей системы с индукционной телепередачей показаний. Следящая система состоит из кольцевого щупа 16 (рисунок 10.20), закрепленного на штоке 15, связанном с амортизатором 11. Шток 15 перемещается во втулке 14, снабженной упором для ограничения хода амортизатора 11. Амортизатор перемещается по направляющим 12 и связан стальным тросом 10 с барабаном 6.

Второй конец троса 10, намотанный на барабан 6, несет уравновешивающий груз 18, заключенный в защитный кожух 17. Вес уравновешивающего груза на 3—4 кг меньше суммарного веса штока, щупа и амортизатора. На валу барабана жестко насажен храповик 4.

На этом же валу свободно качается рычаг 5, соединенный одним концом с кривошипом редуктора 9, приводимым во вращение электродвигателем 20, а вторым концом с собачкой 7

Рисунок 10.20. Принципиальная схема электромеханичес­кого уровнемера для сыпучих материалов:

1— сектор; 2 —- диск; 3 — палец; 4 - храповик; 5 — рычаг; 6 — барабан; 7 — собачка; 8 — разобщитель; 9 —редуктор; 10, 19 — тросы; 11 — амортизатор; 12 — направляющие; 13—упор; 14 — втулка; 15 — шток; 16— щуп; 17 — кожух; 18 — груз; 20 — электродвигатель; 21 — пружина; 22 —шестерня; 23 — индукционная катушка; 24 — вторичный прибор

Разобщителем 8 собачка выводится из зацепления с храповиком 4. Диск с пальцем 3 также насажен на вал барабана. Палец диска входит в прорезь второго, свободно вращающегося диска 2 с шестерней 22, входящей в зацепление с сектором 1, Диск 2 тормозится плоской пружиной 21. На секторе 1 подвешен сердечник индукционной катушки 23, электрически связанной со вторичным прибором 24.

При понижении уровня рабочей среды в бункере разобщитель 8 выводит из зацепления с храповиком 4 собачку 7. Барабан освобождается и щуп 16 под действием собственного веса сле­дует за положением уровня.

После этого цикл работы прибора повторяется. При повышении уровня во время хода вниз щуп устанавливается на новом положении уровня, барабан останавливается, а собачка 7 скользит по зубьям храповика. При начале хода вверх собачка входит в зацепление уже с другим зубом храповика, и цикл повторяется.

Число ходов щупа и его ход — переменные величины. Например, для установок каталитического крекинга число ходов щупа равно 4, а величина хода 200 мм. Конструкция прибора позволяет применять его на установках и бункерах с высокой температурой и значительным давлением. Допустимая погрешность не превышает 1,5—2 % макси­мального значения шкалы.

Датчик предельных уровней ДПУ-Ш. Датчик предназначен для контроля верхнего и нижнего уровней емкости и подачи сигнала к исполнительным механизмам и на диспетчерский пункт.

Принцип действия прибора основан на срабатывании микропере­ключателя при достижении поплавком датчика предельного уровня.

Электрические емкостные сигнализаторы и измерители уровня

При измерении уровня диэлектрических жидкостей, например бензина, керосина и т. п., используют электрические емкостные уровнемеры, чувствительным элементом которых является система коаксиальных электродов или один электрод, погруженные в жидкость, уровень которой измеряют. Величина емкости такого датчика с постоянными размерами электродов определяет значение уровня рабочей жидкости.

Электрические емкостные уровнемеры последних конструкций имеют электрод 1 (рисунок 10.21), изолированный по всей длине погружения в жидкость или сыпучий материал. Значение емкостного сопротивления между электродом и стенками рабочего аппарата зависит от диэлектрической постоянной материала, заполняющего емкость. При отсутствии рабочей среды, когда зазор между электродом и стенками аппарата заполнен воздухом, емкостное сопротивление такой системы будет иметь одно значение.

При заполнении же аппарата жидкостью или сыпучим материалом емкостное сопротив­ление резко меняется. При переменном уровне рабочей среды можно определить промежуточное значение емкостного сопротивления. Чувствительный элемент 2 передает величину емкостного сопротивления на вторичный прибор, шкала которого отградуирована в единицах уровня. Основная погрешность прибора ±10 мм.

Рисунок10.21. Схема измерения уровня сыпу­чих материалов электричес­ким емкостным методом:

1 — электрод; 2 — чувствительный элемент; 3 — емкость

Электронный сигнализатор уровня ЭСУ-1 служит для сигнализации, а также для включения или выключения привода насоса, задвижки крана и пр., чтобы поддерживать постоянный уровень. Его применяют на технологических установках для контроля уровня катализатора и других гранулированных и сыпучих сред с различными физическими свойствами, жидких сред, кислотных и щелочных растворов, порошкообразных веществ.

Основными узлами сигнализатора являются электронный блок и емкостный датчик, который монтируют непосредственно в аппарате в зоне измерения уровня рабочей среды. Для связи между датчиком и блоком служит коаксиальный кабель. Электронный блок состоит из генератора высокой частоты и электромагнитного реле.

Принцип действия сигнализатора основан на зависимости емкости датчика от уровня рабочей среды в резервуаре. Изменение емкости датчика преобразовывается в выходной сигнал для управления исполнительными органами. Генератор высокой частоты настраивают таким образом, что при изменении емкости датчика уровнемера на 2—5 пФ наступает срыв высокочастотных колебаний, анодный ток резко возрастает и срабатывает реле, включенное в анодную цепь лампы. Настройку генератора высокой частоты осуществляют полупеременным конденсатором.

Радиоактивные уровнемеры и сигнализаторы уровня

Принцип действия радиоактивных уровнемеров основан на различ­ной степени поглощения гамма-излучения радиоизотопного источника жидкостью и находящимся над ней газом (или парами жидкости).

Рисунок 10.22 Принципиальная схема дат­чика уровня радиоактивного уровне­мера:

1 - источник гамма-излучения; 2 - приемник; 3 - электронный блок;

4 - контролируемый уровень в резервуаре; 5 - приводы ходовых винтов; 6 - ходовые винты

Датчик уровня имеет две раздельные колонки с подвиж­ными каретками, на которых размещены источник гамма-излучения 1 (рисунок10.22) и прием­ник 2 типа счетчика Гейгера. Действие датчика состоит в непрерывном следовании за изменением уровня жидкости. Каретки перемещают синхронные реверсивные двигатели, высота подъема кареток или соответствующее ей положение уровня определяется вторичным прибором. Шкала прибора отградуирована в линейных единицах уровня. В промышленности применяют радиоактивный уровнемер УР-6А. Его технические данные: диапазон измерения 1—2 м, максимальная толщина стенок резервуара 32 мм, скорость следования за изменением уровня 0,5 м/мин, источник гамма-излучения — радиоактивный кобальт-60, приемник — счетчик импульсов СТС-8, основная погреш­ность ±0,5 % верхнего предела измерения. Применение радиоактивного датчика в сочетании со вторичными индукционными трансформаторными приборами КСД позволяет осуществлять автоматическое регулирование.