5. Приборы контроля метеорологических условий производственной среды

5.1 Определение температуры воздуха

Для измерения температуры используют термометры различной модификации:

- жидкостные термометры, действие которых основано на измерении объема жидкости при изменении температуры;

- деформационные термометры, действие которых основано на изменении линейных размеров тел с изменением температуры;

- термоэлектрические термометры, действие которых основано на изменении электродвижущей силы термоэлементов при изменении разности температуры слоев;

• термотранзисторные термометры, действие которых основано на зависимости эмиттер-базы транзистора от температуры.

5.1.1 Стеклянно-жидкосные термометры

Для измерения температуры в качестве термометрических жидкостей в термометрах применяют ртуть, спирт, толуол (Рисунок 1).

Рисунок 1 – Виды стеклянно-жидкостных термометров

При измерении температуры жидкостным термометром производится наблюдение видимого изменения положения мениска жидкости в капилляре термометра, который соединен с резервуаром. При изменении температуры изменяется объем жидкости. Но с изменением температуры термометра изменяется и объем резервуара термометра. Эти изменения действуют противоположно друг другу. При повышении температуры объем жидкости в резервуаре увеличивается и уровень ее в капилляре повышается, но расширение самого резервуара несколько уменьшает увеличение объема жидкости.

Термометр принимает температуру среды не мгновенно, он обладает некоторой инерционностью. Скорость восприятия термометром температуры среды выражается коэффициентом инерции. Коэффициент инерции термометра есть время, за которое первоначальная разность температур среды и термометра уменьшается в е раз (е=2,718 - основание натурального логарифма). Коэффициент инерции уменьшается с увеличением скорости вентиляции термометра.

Возможная точность отсчета по шкале термометра определяется его чувствительностью к изменению температуры среды. Чем больше чувствительность термометра, тем больше точность отсчета по шкале. Характеристикой чувствительности является длинна (в мм) одного градуса шкалы. Для удобства отсчета градус делится еще на части, минимальную часть градуса на шкале называют ценой деления. Поскольку стекло обладает заметным термическим последствием, термометры изготовляют из специального термометрического стекла, благодаря чему вековое повышение основных точек и депрессия не превосходят установленных величин.

На форму мениска оказывает влияние частота жидкости и стенок капилляра. Загрязнение искажает форму мениска и влияет на точность показаний. Поэтому применяемые для наполнения термометра жидкости должны быть без примесей, а стенки капилляров чистыми.

Ртуть должна быть химической чистой, осушенной. Внешняя оболочка термометра запаивается только после тщательной просушки. Оставшийся под жидкостью объем капилляра обычно или вакуумируется, или заполняется под некоторым давлением инертным газом.

Шкала термометров нанесена на пластинке, к которой прикреплен тонкостенный капилляр. Шкала и капилляр заключены в стеклянную защитную оболочку (оправу). Шкала нижней частью вставляется в седлообразный упор, к которому прижата пружиной, находящейся внутри пробки, в верхней части термометра. Капилляр в двух местах крепится к шкале проволокой. Шкала может быть нанесена и прямо на стенках капилляра, который в этом случае изготавливается толстостенным. Резервуар термометра может иметь разнообразную форму - цилиндрический, шарообразный и т.д.

В случае необходимости определения самой высокой и низкой температуры воздуха за определенный промежуток времени используют специальные термометры - максимальные и минимальные термометры.

Термометр максимальный (Рисунок 2) устроен таким образом, что он сохраняет показания, соответствующие максимальной температуре за время, прошедшее после предыдущего наблюдения.

1 – резервуар, 2 – штифт, 3 - капилляр

Рисунок 2 – Приспособление для сохранения максимального показаний термометра

Максимальные показания термометра сохраняются благодаря специальному приспособлению. Оно состоит из стеклянного штифта, припаянного ко дну внутри резервуара термометра. Верхний конец штифта входит в капилляр, оставляя в нем узкое (кольцеобразное) отверстие.

Когда температура начинает повышаться, ртуть, находящаяся в резервуаре, расширяется и, несмотря на большое трение в месте сужения, проталкивается между стенками капилляра и стеклянным штифтом. При понижении температуры (и уменьшении вследствие этого объема ртути) ртуть не пройдет назад в резервуар, так как единственной силой, стремящейся вернуть ртуть в резервуар, является сила сцепления ртути, но она недостаточна для преодоления силы трения, возникающей при прохождении ртутью места сужения. В этом месте столбик ртути разорвется, а часть ртути, находившаяся в капилляре до начала падения температуры, останется в нем (на той же высоте).

При измерении минимальной температуры используется спиртовой термометр. Внутри спирта, в капилляре, находится небольшой штифт из темного цветного стекла, имеющий на своих концах утолщение в форме булавочных головок. Штифт свободно перемещается внутри в спирте (Рисунок 3).

1-капиляр, 2 - штифт

Рисунок 3 – Устройство минимального термометра

Подготавливая минимальный термометр к измерениям, его наклоняют резервуаром кверху, пока штифт дойдет до поверхности спирта в капилляре. У поверхности спирта штифт останавливается (не может порвать поверхностную пленку спирта). Затем термометр кладут горизонтально. Если после этого температура начнет повышаться, то спирт, расширяясь, будет обтекать штифтик, не сдвигая его с места. (Сила трения головок штифтика о стенки капилляра удерживает его на месте).

При понижении температуры объем спирта начинает уменьшаться, и он переходит из капилляра в резервуар. Поверхностная пленка спирта будет перемещать штифт к резервуару, так как сила трения головок о стенки капилляра меньше силы поверхностного натяжения пленки. В случае, если температура начнет повышаться, штифт останется на месте и укажет, таким образом, наиболее низкую температуру с момента установки термометра.

5.1.2 ДЕФОРМАЦИОННЫЕ ТЕРМОМЕТРЫ

В деформационных термометрах чувствительным элементом является биметаллическая пластинка (Рисунок 4). При изменении температуры тонкая биметаллическая пластинка изгибается вследствие различного расширения составляющих ее металлов.

Рисунок 4 – Биметаллическая пластина

Обычно применяют биметаллическую пластинку, состоящую из инвара (сплав железа с никелем) и стали. Если инвар (имеющий меньший коэффициент расширения) будет расположен наверху, то при увеличении температуры пластинка прогнется таким образом, что инвар окажется с вогнутой стороны пластинки. При понижении температуры пластинка изогнется в противоположную сторону.

Если один конец биметаллической .пластинки закрепить неподвижно, то при изменении температуры ее свободный конец будет перемещаться.

Переменные свободного конца ΔХ при изменении температуры пластинки на выражаются формулой

т.е. перемещение свободного конца пластинки пропорционально изменению температуры.

Биметаллические чувствительные элементы используются в термографах и других приборах, предназначенных для регистрации изменения температуры воздуха. Чувствительный элемент смонтирован на кронштейне. Кронштейн крепится к другому кронштейну, на котором собран рычажный механизм, связывающий биметаллическую пластинку со стрелкой, имеющей на своем конце перо. При изменении температуры биметаллическая пластинка деформируется и перемещает стрелку с пером вдоль барабана с лентой. Барабан вращается часовым механизмом вокруг вертикальной оси, закрепленной на плате.

Лента термографа разграфлена прямыми горизонтальными линиями и вертикально расположенными дугами. Цена деления горизонтальной шкалы 1°С, вертикальной - 5 мм.