Слайд 16. Биметаллические термометры расширения

Биметаллические термометры. Принцип действия биметаллических термометров (БМТ) основан на различном изменении линейных размеров двух разнородных твердых тел при изменении температуры. Это изменение линейных размеров происходит по закону

,

где l_t и l₀ – длины твердого тела при температуре t и при температуре 0 ⁰С; α – температурный коэффициент линейного расширения.

ЧЭ БМТ представляет собой пружину, состоящую из двух спаянных по всей плоскости разнородных пластин, имеющих существенно различные значения α. Один конец пружины закреплен, а другой свободно перемещается. Изменение температуры вызывает различное линейное удлинение пластин. Так как пластины не могут перемещаться относительно друг друга, пружина прогибается в сторону пластины, имеющей меньшее значение α. На свободном конце пружины крепится стрелка. Диапазон измерения БМТ составляет от –50 до 600 ⁰С.

Слайд 17. Манометрические термометры

Принцип действия манометрических термометров (МТ) основан на зависимости давления рабочего (термометрического) вещества в зам­кнутом объеме (термосистеме) от температуры. В соответствии с агрегатным состоянием рабочего вещества в термосистеме мано­метрические термометры подразделяют на газовые, жидкостные и конденсационные (парожидкостные). По устройству термометры всех типов аналогичны.

Термосистема манометрического термометра (МТ) состоит из термобалло­на 1, капилляра 2 и пружинного манометра 3. Чувствительный элемент термометра (термобаллон) погружается в объект измерения, и термометрическое вещество в термобаллоне достигает тем­пературы измеряемой среды. При изменении температуры ра­бочего вещества в термобаллоне изменяется давление, которое че­рез капиллярную трубку передается на пружинный манометр, шкала которого отградуирована в градусах Цельсия. Термобаллон представляет собой цилиндр, изготовленный из латуни или специальных сталей, стойких к химическому воздействию измеряемой среды. Диаметр термобаллона находится в пределах от 5 до 30 мм, а его длина 60 – 500 мм. Капилляр представляет собой медную или стальную трубку с внутренним диаметром 0,1 - 0,5 мм. Выпускаются также термометры с унифицированными пневматическими и электрическими выходными сигналами.

Газовые манометрические термометры заполняют газом, химически инертным, с малой теплоемкостью, который легко получить в чистом виде. Таким газом является азот или гелий. Принцип работы этих тер­мометров основан на использовании закона Гей-Люссака:

где P₀ и P_θ — давление газа при температурах 0 и θ°С; β — термический коэффициент давления газа, равный 1/273,15 или 0,00366 К^-1. Диапазон измерения от минус 150 до плюс 600 ⁰С. Начальное давление в газовых термометрах устанавливают в зависимости от пределов измерения 0,98— 4,7 МПа (10—50 кгс/см²). Это начальное давление создается для увеличения чувствительности термометра и уменьшения барометрической погрешности, возникающей при изменении давления окружающей среды. Для компенсации погрешностей от колебаний температуры окружающей среды обычно применяется компенсационное устройство, представляющее собой биметаллическую пружину, связанную с указателем прибора и действующую в направлении, противоположном действию манометрической пружины.

Недостатками газовых манометрических термометров являются сравнительно большая тепловая инерция, обусловленная низким коэффициентом теплообмена между стенками термобаллона и наполняющим его газом и малой теплопроводностью газа, а также большие размеры термобаллона, что затрудняет установку его на трубопроводах малого диаметра. Кроме того, в процессе эксплуатации газовых термометров возможны случаи нарушения герметичности и утечки газа, что не всегда можно заметить. Последнее обстоятельство приводит к необходимости частой поверки этих приборов.

Манометрические жидкостные термометры заполняют жидкостью под некоторым начальным давлением. Жидкости, применяемые для термометров, должны обладать возможно большим термическим коэффициентом объемного расширения, высокой теплопроводностью и должны быть химически инертными к материалу термометра. В качестве таких жидкостей используется ртуть (диапазон измерений от минус 30 до плюс 600 °С), ксилол (диапазон измерений от минус 40 до плюс 200 °С), толуол, пропиловый спирт, силиконовые жидкости (диапазон измерений от минус 150 до плюс 300 °С). Чтобы жидкость не закипела, в термометре создают начальное давление 1,47—1,96 МПа (15—20 кгс/см²). Ввиду того, что жидкость практически несжимаема, объем тер­мобаллона в жидкостных МТ в отличие от газовых должен быть согласован со свойствами используемой манометрической пружины. Давление окружающей среды не оказывает влияния на работу термометра из-за большого рабочего давления; температурная компенсация осуществляется посредством биметаллической пружины. Для этих термометров характерна гидростатическая погрешность, возникающая в том случае, когда манометр и термобаллон оказываются расположены на разной высоте. Эта погрешность устраняется после монтажа прибора смещением стрелки манометра.

В конденсационных (парожидкостных) манометрических термометрах термобаллон заполняется 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 в связи с этим усиливается также процесс конденсации. В результате этого насыщенный пар достигает некоторого определенного давления, строго отвечающего измеряемой температуре. Давление пара, изменяясь с температурой, передается через среду, заполняющую капилляр, манометрической трубке. Жидкость, применяемая в этих приборах, должна иметь точку кипения достаточно низкую, чтобы обеспечить необходимое давление в пределах измеряемых температур (от минус 50 до плюс 350 ⁰С). Термобаллон термометра заполняют с таким расчетом, чтобы при наиболее низкой температуре в нем осталось некоторое количество пара, а при наиболее высокой — некоторое количество неиспарившейся жидкости, причем капилляр должен оставаться погруженным в жидкость во всем диапазоне измерения. В качестве тер­мометрического вещества в конденсационных МТ используются легко­кипящие жидкости, в частности пропан, ацетон, то­луол, этиловый эфир и т. д.

Эти термометры наиболее чувствительны из всех МТ, так как дав­ление насыщенного пара резко изменяется с температурой. К достоинствам парожидкостного термометра следует отнести и то, что изменение температуры манометрической трубки и капилляра не влияет на давление в системе. Это позволяет располагать вторичный прибор на больших расстояниях (до 75 м) от термобаллона по сравнению с газовым и жидкостным термометрами (до 40 м). Гидростатическая погрешность компенсируется также, как в жидкостных термометрах, а барометрическая имеется только на начальном участке шкалы.

К недостаткам парожидкостного термометра следует отнести нелинейность шкалы. В некоторых моделях для получения равномерной шкалы используются специальные линеаризующие устройства.

Все манометрические термометры отличаются простотой конструкции, возможностью дистанционной передачи показаний (либо по капилляру, либо посредством унифицированного электрического или пневматического сигнала). Основное достоинство этих термометров – возможность их использования на взрывоопасных объектах.