4. Жидкостные стеклянные термометры. Принцип действия, достоинства и недостатки

Принцип действия основан на расширении термометрической жидкости, заключенной в термометре, в зависимости от температуры. Стеклянные термометры по своей конструкции бывают палочные и с вложенной шкалой.

Стеклянный термометр состоит из стеклянного резервуара 1 и припаянного к нему стеклянного капилляра 2 (рис 1.а) Вдоль капилляра расположена шкала 3 которая как правило наноситься на пластине молочного стекла. Резервуар, капилляр и шкала помещаються в стеклянную оболочку 4, которая припаиваэться к резервуару.

П алочные стеклянные термометры изготовляются из толстостенных капилляров 1, к которым припаиваеться резервуар 2. Шкала термометра 3 наноситься на наружной поверхности капилляра (рис 1.б)

К достоинствам стеклянных жидкостных термометров относят

• высокая точность измерения

• простота

• дешевизна

Недостатки жидкостных стеклянных термометров:

• плохая видимость шкалы,

• невозможность автоматической записи показаний,

• передачи показаний на расстояние.

5,6,7 Жидкостные, газовые, конденсационные манометрические термопреобразователи. Принцип действия, достоинства и недостатки.

Д ействие манометрических термометров основано на использовании зависимости давления вещества при постоянном объеме от температуры. Замкнутая измерительная система манометрического термометра состоит из (рис. 2) из чувствительного элемента, воспринимающего температуру измеряемой среды, - металлического термобаллона 1, рабочего элемента манометра 2, измеряющего давление в системе, длинного соединительного металлического капилляра 3. При изменении температуры измеряемой среды давление в системе изменяется, в результате чего чувствительный элемент перемещает стрелку или перо по шкале манометра, отградуированного в градусах температуры. Манометрические термометры часто используют в системах автоматического регулирования температуры, как бесшкальные устройства информации (датчики).

Манометрические термометры подразделяют на три основных разновидности:

1) Жидкостные, в которых вся измерительная система (термобаллон, манометр и соединительный капилляр) заполнены жидкостью В приборах этого типа всю систему термометра заполняют термо­метрической жидкостью под некоторым начальным давлением. В качестве термометрического вещества в данных термометрах используется ртуть под давлением 10-15 МПа при комнатной температуре или толуол, ксилол, пропиловый спирт, силиконовые жидкости при Р=0,5-5 МПа. При ртутном заполнении диапазон измерений -30н-600°С, а для органических жидкостей -150+300 °С. Так как жидкость практически несжимаема, объем термобал­лона в жидкостных термометрах должен быть согласован со свойствами манометрической пружины.

При измерении температуры от t₀ до t из термобаллона вытесняется жидкость объемом

(2.11)

где β_ж - температурный коэффициент объемного расширения жидкости; а - коэффициент линейного расширения материала термобаллона; V₀ - объ­ем жидкости в термобаллоне при температуре t₀.

Как следует из уравнения (2.11), изменение объема жидкости при на­гревании является линейной функцией температуры, поэтому жидкостные термометры, как и газовые, имеют равномерную шкалу.

Благодаря большой теплопроводности жидкости термобаллон тер­мометра сравнительно быстро принимает температуру измеряемой среды. Однако по этой же причине погрешности от колебания температуры окружающей среды у жидкостных термометров больше, чем у газовых. При значительной длине капилляра для жидкостных термометров применяют компенсационные устройства в виде биметаллического компенсатора.

Из-за значительного давления в системе, которое предохраняет жид­кость от закипания, погрешность от изменения барометрического давления в этих термометрах отсутствует.

Манометрическим жидкостным термометрам свойственна гидроста­тическая погрешность, вызванная различным положением манометра от­носительно термобаллона. Эта погрешность устраняется после монтажа прибора путем смещения указателя прибора на нужное значение по шкале.

2) Конденсационные, в которых термобаллон заполнен частично жидкостью с низкой температурой кипения и частично – ее насыщенными парами, а соединительный капилляр и манометр – насыщенными парами жидкости или, чаще, специальной передаточной жидкостью. В качестве манометрического вещества в этих термометрах исполь­зуются легкокипящие жидкости (пропан, этиловый эфир, ацетон, толуол, хлористый метил и т.д.). Диапазон измерения -50÷350°С. Специально из­готовленные термометры применяются для измерения сверхнизких темпе­ратур от 0,8 К.

Термобаллон термометра заполнен конденсатом примерно на 70-75% объема, а над конденсатом находится насыщенный пар этой же жидкости. Капилляр опущен в термобаллон так, что его конец находится в жидкости и в том случае, когда при максимальной температуре в термобаллоне оста­ется часть жидкости.

Принцип работы конденсационных термометров основан на зависи­мости давления Р насыщенного пара низкокипящих жидкостей от темпе­ратуры:

где λ - скрытая теплота испарения; V_n У_ж - удельные объемы пара и жид­кости.

Давление в термосистеме конденсационного термометра равно дав­лению насыщенного пара при температуре рабочей жидкости, которая в свою очередь равна температуре измеряемой среды. Зависимость Р насы­щенного пара от температуры однозначна (до критической температуры), но нелинейная, из-за чего шкалы конденсационных термометров имеют значительную неравномерность. Для получения равномерной шкалы кон­денсационные термометры снабжают специальным линеаризующим уст­ройством. Рабочее давление Р зависит только от пределов измерения и за кона изменения давления насыщенного пара от температуры. Таким обра­зом, давление в термосистеме зависит только от измеряемой температуры t, изменение температуры окружающей среды не оказывает влияния на по­казание прибора.

Поскольку термобаллон может быть выполнен малых размеров, то конденсационные термометры менее инерционны, чем другие манометри­ческие термометры. Кроме того, эти термометры более чувствительны, т.к. давление насыщенного пара резко меняется с температурой.

Конденсационным термометрам присущи гидростатическая погреш­ность и погрешность от изменения барометрического давления. Первая компенсируется аналогично жидкостным термометром, а вторая значи­тельна лишь на начальном участке шкалы, когда давление в термосистеме невелико.

3) Газовые, в которых вся измерительная система заполнена инертным газом. Они предназначены для измерения температуры от -50 до 600°С. Термометрическим веществом здесь служит гелий или азот. Принцип ра­боты газовых манометрических термометров основан на использовании закона Шарля:

где t₀ и t - начальная и конечная температуры; Р₀ и P_t - давление газа при температурах t_Q и t соответственно; (3 - термический коэффициент давле­ния газа (/3 = 1/273,15 или 0,00366 К"¹).

Для реальных систем эта линейная связь строго не сохраняется, т.к. с изменением температуры изменяется объем термобаллона и с изменением давления - объем манометрической пружины, а также происходит массо-обмен между термобаллоном и капилляром. Но, поскольку эти изменения невелики, то можно считать, что шкала газовых манометрических термо­метров равномерна.

Подставляя в формулу (2.9) вместо Р, и t соответственно Р_н и t_n, a также Р_к t_к получим выражение для величины рабочего давления газового манометрического термометра:

где Р_н и Р_к - давления в термосистеме, соответствующее начальному t_к и конечному 4 значениям температуры по шкале прибора.

По этой формуле может быть рассчитано начальное давление заполнения системы Р_н для заданного диапазона измерения температур. Р_н в за­висимости от диапазона шкалы может быть в пределах от 1 до 3 МПа. Чем больше Р_н, тем больше АР и тем меньше влияние барометрического давле­ния на показания прибора.

Объем термобаллона V_τ в газовых манометрических термометрах не зависит ни от рабочего давления, ни от пределов измерения температур. Но если при измерении температура, окружающая капилляр и манометри­ческую пружину, отличается от градуировочной температуры, то возника­ет дополнительная погрешность. Чтобы ее уменьшить, стремятся умень­шить отношение (V_n+V_K)/V_T (где V_n и V_K - внутренний объем пружины и ка­пилляра), увеличивая размер термобаллона. Поэтому для газовых мано­метрических термометров характерен большой размер термобаллона (d = 20-30 мм, l = 250-500 мм) и как следствие этого - их значительная инерци­онность.

Достоинствами манометрических термометров являются:

• сравнительная простота конструкции и применения,

• возможность дистанционного измерения температуры

• возможность автоматической записи показаний.

К недостаткам манометрических термометров относятся:

• относительно невысокая точность измерения (класс точности 1.6; 2.5; 4.0 и реже 1.0);

• небольшое расстояние дистанционной передачи показаний (не более 60 метров)

• трудность ремонта при разгерметизации измерительной системы.

Манометрические термометры не имеют большого применения на тепловых электрических станциях. В промышленной теплоэнергетике они встречаются чаще, особенно в случаях, когда по условиям взрыво – или пожаробезопасности нельзя использовать электрические методы дистанционного измерения температуры.

Поверка показаний манометрических термометров производится теми же методами и средствами, что и стеклянных жидкостных.