книги из ГПНТБ / Боронихин А.С. Основы автоматизации производства и контрольно-измерительные приборы на предприятиях промышленности строительных материалов учеб. для техникумов

щей из двух металлов или сплавов, имеющих различный коэффи­ циент температурного расширения.

Дилатометрические и биметаллические термометры не получили распространения как самостоятельные измерительные приборы; их используют в виде отдельных узлов в системах автоматического ре­ гулирования.

Жидкостные термометры применяют для измерения температур от —190 до +650° С. Эти термометры получили широкое распрост­ ранение как в лабораторных, так и в технических измерениях. Широкое распространение жидкостных термометров расширения объясняется простотой конструкции. К группе жидкостных стеклянных термометров относятся ртутные и спиртовые термо­ метры.

Ртутные стеклянные термометры применяют для измерения температуры до —38,85° С (соответствующей температуре тверде­ ния ртути). Для измерения более низких температур применяют

термометры расширения с органическими жидкостями. Теплоем­ кость органических жидкостей в 10—15 раз выше, чем ртути, что создает большую инерционность измерения. В качестве термодина­

состоят из капиллярной трубки- с баллончиком для ртути, шкалы и защитной оболочки. Для изготовления термометров используют жаростойкое стекло.

Для измерения температур, близких к точке кипения ртути или выше ее, искусственно повышают точку кипения ртути за счет создания избыточного давления над ртутью в капиллярной трубке. С этой целью у ртутных термометров для измерения высоких темпе­ ратур пространство в капиллярной трубке над ртутью заполняют газом (азотом), предварительно удалив воздух. Для измерения тем­ ператур до 650° С пространство над ртутью заполняют газом под давлением около 2,3 МПа (23 кгс/см2).

В зависимости от назначения термометры изготовляют трех ви­ дов: технические, лабораторные и образцовые.

Технические термометры изготовляют с вложенной шкалой, большим диаметром капилляра и тонкой хвостовой частью. Их вы­ полняют с прямым или изогнутым под углом 90 и 135° хвостовиком. Хвостовик бывает различной длины (от 60 до 2000 мм).

Лабораторные ртутные термометры выпускают как с вложен­ ной шкалой, так и палочные (шкала нанесена на капилляре). Они более точные по сравнению с техническими термометрами.

Образцовые термометры служат для поверки и градуирования технических термометров. Образцовые термометры имеют цену де­ ления 0,01; 0,1; 0,2°. Их выпускают обычно в виде комплекта из пя­ ти термометров, перекрывающих пределы измерения от —30 до +302° С.

30

Ртутные и спиртовые термометры очень просты по устройству и в эксплуатации, дают сравнительно точные показания при заме­ рах температур, но имеют вместе с тем ряд недостатков. Они хруп­ ки, обладают определенной инерцией в показаниях, при произ­ водстве замеров из-за плохой видимости мениска ртути или спирта в капилляре для них требуется хорошее освещение.

Ртутные стеклянные контактные термометры по конструкции аналогичны техническим и отличаются от них только впаянными в капилляр (рис. III.2, а) или подвижными (рис. III.2, б) кон-

Рис. III.1. Схема технических ртутных термометров

а — прямой, установленный на трубопроводе или металлической стенке; б — угловой 90°, установленный на металлической стенке; 1 — верхняя часть тер­

делка изоляции; — бобышка

тактами 1 из никеля или платины. У термометров с подвижным контактом в баллоне находится шпилька 2, по которой передвигает­ ся стальная гайка 3, опускающаяся или поднимающаяся при вра­ щении шпильки. Вращение шпильки достигается вращением вокруг стеклянного баллона постоянного магнита 4. К гайке прикреплена контактная проволока 5, поднимающаяся или опускающаяся вместе с гайкой. Шпилька и контактная проволока представляют собой токопроводящую систему, по которой рабочий ток проходит к ртут­ ному столбу в капилляре термометра. Следовательно, при вращении постоянного магнита вращается и шпилька, опуская или поднимая гайку контактной проволоки вверх или вниз в зависимости от темпе-

31

ратуры. Контактную проволоку устанавливают на определенную высоту, при которой столбик ртути соприкасается с кондом этой проволоки. Контактные термометры применяют для контроля и ре­ гулирования температуры воздуха и жидкости. Для защиты от ме­ ханических повреждений термометры 1 (рис. III.3) устанавливают в защитных гильзах 2, заполненных медными опилками 3 или мас­ лом.

Правильность показаний жидкостных стеклянных термометров при замере температуры среды зависит от того, насколько благо-

приятны условия для притока тепла от измеряемой среды к тер­ мочувствительной части термометра и насколько уменьшена воз­ можность потери тепла термометром во внешнюю среду.

Дилатометрический термометр (рис. III.4) состоит из трубки 1 и стержня 2. Стержень вмонтирован в трубку и прижат к ее нижне­ му торцу пружиной 3. При погружении трубки диламометрического термометра в измеряемую среду стержень 2 удлиняется меньше, чем трубка, за счет разности коэффициентов линейного расшире­ ния. Передаточные устройства 4 к 5 под действием пружины 3 перемещают контакт 6.

Дилатометрические термометры выпускают на пределы измере­ ния до 500° С. К преимуществам дилатометрических термометров относят высокую надежность и большие усилия, развиваемые чув­ ствительным элементом. Последнее позволяет встраивать в дила­ тометры контактные устройства и использовать их в качестве тер­ мосигнализаторов и термопреобразователей в системах автомати­ ческого регулирования и контроля температуры.

Биметаллический термометр состоит из биметаллической пласти­ ны в виде спирали 1 (рис. III.5), жестко прикрепленной одним кон­ дом к корпусу прибора. Второй конец пластины при помощи рычага 2 соединен со стрелкой 3. Под воздействием измеряемой темпера­ туры спираль раскручивается в ту или иную сторону, перемещая стрелку.

Металлом с большим коэффициентом линейного расширения слу­ жит латунь, а металлом с меньшим коэффициентом линейного расши­ рения — чаще всего инвар (железоникелевый сплав). Оба металла сваривают вместе, затем прокатывают до необходимой толщины и подвергают термической обработке.

§ ІІІ.З. МАНОМЕТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ

При необходимости дистанционного замера температуры и ее регистрации применяют манометрические термометры. В этих тер­ мометрах использовано свойство жидкости, газа или пара изменять давление в замкнутом сосуде в зависимости от нагревания (или охлаждения).

Манометрический термометр (рис. III.6) состоит из первичного элемента — термобаллона 1, заполненного рабочим веществом (тер­ мобаллон погружают в среду, температуру которой измеряют), передаточной капиллярной трубки 2, многовитковой трубчатой пружины 3 и шкалы, на которой нанесены соответствующие значе­ ния температуры. Все три элемента герметически соединены между собой. Наполнитель термобаллона, т. е. рабочее вещество термомет­ ра, выбирают исходя из измеряемого интервала температур и тре­ буемой чувствительности прибора. Рабочее вещество может быть в виде газа, жидкости или системы из жидкости с ее насыщенным паром. Соответственно с этим различают три вида манометрических термометров: газовые, паровые и жидкостные.

Изменение давления в манометрическом термометре зависит от

при максимальном соотношении между площадью поверхности тер­ мобаллона и его объемом, при минимальной массе термобаллона и использовании для его изготовления металлов с высокой тепло­ проводностью.

Манометрические термометры могут быть использованы для из­ мерения температур в пределах от — 60 до +650° С. Основная до­ пустимая погрешность обычно составляет 1—2% максимального значения шкалы.

Газовые манометрические термометры заполняют инертным га­ зом, чаще всего азотом. В основу работы прибора положен закон Шарля, который устанавливает зависимость между давлением и температурой газов при постоянном объеме.

34

Pt =Po (1 + ßO'

где pt ■— давление газа при конечной температуре; рд — давление газа при на­

чальной температуре; ß — термический коэффициент.

Манометрические самопишущие термометры ТСГ предназначены для непрерывного дистанционного измерения температуры жидких и газообразных сред в стационарных условиях и записи температу­ ры во времени. ТСГ-710М — манометрический самопишущий газо­ вый термометр; привод диаграммы от синхронного электродвига­ теля. ТСГ-720— такой же термометр, но с записью температур, измеряемых в двух точках.

Приборы ТСГ (рис. II 1.7) состоят из термобаллона /, изготов­ ленного из латуни и имеющего форму цилиндра с наружным диа­ метром 22 и .внутренним 20 мм, длиной 255 или 435 мм, медной капиллярной трубки 2 с наружным диаметром около 2 и внутренним 0.1—0,5 мм, защищенной от механических повреждений гибкой оболочкой с наружным диаметром около 8 мм. Объем газа в термо­ баллоне 50—130 см3, в манометрической пружине 4—6 см3, а в ка­ пилляре 6—8 см3. Длина капиллярной трубки вместе с оболочкой может достигать 60 м. Капиллярная трубка соединяет термобаллон с многовитковой трубчатой пружиной 3, служащей манометриче­ ским устройством. Все эти три элемента герметически соеди­ нены между собой.

Многовитковая пружина имеет эллиптическое сечение и состоит из трех—пяти витков. Пружина выполнена из цельнотянутой латунной трубки. Система заполнена азотом, который вводят в нее при начальном давлении 0,8—1,2 МПа (8—12 кгс/см2). Давление в системе при положении стрелки 4, соответствующем максималь­ ному значению шкалы, составляет 2—2,5 МПа (20—25 кгс/см2).

МногоЁитковая пружина соединена системой рычагов 5 с регист­ рирующей или указывающей стрелкой.

Прибор работает следующим образом. При нагревании термо­ баллона давление в системе повышается, многовитковая трубчатая пружина 3 раскручивается на некоторый угол и поворачивает при­ паянную к ней тягу 6 вместе с рычагом 5. Движение рычага через ось 7 передается стрелке 4, которая перемещается по диаграмме на определенный угол.

В газозаполненных термобаллонах давление газа возрастает прямо пропорционально увеличению температуры, вследствие чего они имеют равномерную шкалу. Зависимость между давлением и температурой у газовых термометров может быть выражена сле­ дующей формулой:

Лр

Если манометрический термометр рассчитан на перепад давле­ ния 5 МПа (50 кгс/см2) и измерение температуры от 0 до 500° С,

то начальное давление должно быть

*

Ро = — г ----- = 2,73.

Действие паровых термометров основано на изменении давле­ ния насыщенных паров, находящихся в термобаллоне. Термобаллон примерно на 2/3 объема заполняют низкокипящей жидкостью, над которой находятся ее насыщенные пары. Давление паров передает­ ся по капиллярной трубке манометрической пружине, причем зави­ симость эта непрямолинейная. С повышением температуры давле­ ние паров увеличивается сначала медленно, а потом быстрее; в связи с этим паровые термометры имеют неравномерную шкалу. В начале шкалы деления (через равные интервалы температуры) расположены близко друг к другу, а затем расходятся все больше и больше.

При помощи паровых термометров можно измерять температуру в пределах от —40 до +300° С. В качестве заполняющей жидкости применяют хлористый метил (от —18 до +75° С), сернистый ан­ гидрид (от +10 до +140° С), этиловый спирт (от +10 до +220° С), толуол (от +10 до +315° С), пропан (от —40 до +93° С) и др.

В жидкостных манометрических термометрах термобаллон, ка­ пиллярную трубку и полость пружины заполняют ртутью, ксилолом или метиловым спиртом. На показания жидкостных термометров

36

влияет температура окружающего воздуха, причем ее влияние тем заметнее, чем длиннее капиллярная трубка и больше объем пружины. Вследствие этого длина капиллярных трубок у этих термометров не превышает 10—20 м.

Приборы с указывающей стрелкой имеют следующие обозначе­ ния: ТПГ — газовые, ТПП — парожидкостные и ТПЖ — жидкост­ ные; приборы с регистрацией показаний: ТСГ — газовые и ТСП — парожидкостные. Запись показаний производится на дисковой ди­ аграмме с координатной сеткой, состоящей из концентрических

окружностей, соответствующих постоянным значениям температу­ ры, и радиальных дуг, которые обозначают время (аналогично приборам давления). Для перемещения диаграммы используют часовой механизм или синхронный электродвигатель.

В настоящее время промышленность выпускает унифицирован­ ную систему манометрических термометров, которая включает две группы приборов: первичные и Вторичные. Первичные приборы выполняют с различными дополнительными устройствами и без них.

Манометрические сигнализирующие термометры широко при­ меняют в системах автоматики. Они предназначены для измерения температуры и сигнализации при отклонении фактической темпера­ туры от заданной величины.

Термометр ТС (рис. III.8) — паровой манометрический термо­ метр с электроконтактным устройством. Герметически замкнутая

37

и заполненная насыщенными парами хлорметила термосистема при­ бора состоит из термобаллона, соединительной капиллярной трубки 1 и многовитковой трубчатой пружины 2. Сигнальное устройство работает следующим образом. С осью измерительной стрелки 3 жестко связана контактная щеточка 4, скользящая по двум секто­ рам 5 с контактами. Один сектор связан с желтым 6, а другой — с красным 7 передвижным указателем, которые заранее устанавли­ вают на определенную отметку шкалы. При совмещении измеритель­ ной стрелки с указателем соответствующий контакт замыкается. При повышении температуры вначале замыкается контакт, соответ­ ствующий желтому указателю, затем контакт, соответствующий красному указателю, причем первый контакт остается замкнутым. Передвижные указатели, связанные с контактами, устанавливают в любой точке шкалы при помощи установочных винтов 8. Сигналь­ ные контакты рассчитаны на ток до 0,2 А при напряжении 220 В.

Пределы показаний манометрических термометров ТС от 0 до 200° С. Длина соединительной капиллярной трубки от 1 до 12 м.

Манометрические термометры с пневматическим преобразова­ телем — газовый ТПГ-189П, жидкостный ТПЖ-189П, ртутный ТПР-189П — предназначены для дистанционного измерения темпе­ ратуры, а также для преобразования измеряемой температуры в стандартные пневматические сигналы [/?вых = 0,02 -f- 0,1 МПа (0,2—1 кгс/см2)].

Термометр (рис. II 1.9) состоит из термобаллона 1, соединитель­ ного капилляра 2, защищенного по всей длине оболочкой, и корпуса, в котором находятся чувствительный элемент 3 (спиральная многовитковая пружина), передаточный и показывающий механизмы и пневматическое устройство для дистанционной передачи показа­ ний 4. Спиральная пружина 3 одним концом присоединена к кор­ пусу прибора, а другим концом шарнирно связана с передаточным механизмом 5, который приводит в движение стрелку прибора 6. Одновременно перемещение пружины 3 через систему рычагов 7 передается на ось заслонки 8 пневмопреобразователя 4. Действие пневматического устройства основано на преобразовании угла рас­ кручивания спиральной пружины термосистемы в пропорциональные пневматические сигналы.

§ III.4. ТЕРМОПАРЫ И ВТОРИЧНЫЕ ПРИБОРЫ

Действие термопар основано на возникновении термоэлектро­ движущей силы (т. э. д. с.) в цепи двух разнородных проводников при изменении температуры места их спая, когда температура сво­ бодных их концов постоянная.

В межмолекулярном пространстве любого проводника имеются свободные электроны, число которых в единице объема материала зависит от рода проводника и его температуры. С увеличением тем­ пературы число свободных электронов обычно растет, однако у различных проводников по-разному. Если соединить два разно-

38

родных металла, то свободные электроны будут переходить из одного металла в другой, причем из металла, имеющего большее число свободных электронов, они будут переходить в большем количестве, чем из металла с меньшим числом свободных электронов. Между свободными концами проводников появится разность потенциалов, возникнет э. д. с. С ростом температуры число взаимно проникаю­ щих электронов увеличится и, следовательно, возрастет э. д. с.

т. е. термоэлектродвижущая сила, развиваемая термопарой, равна разности электродвижущих сил рабочего и свободного конца. При tx — t0т. э. д. с. термопары будет равна нулю, так как елв (/і) =

— елв (to), а при /0 у> tx направление результирующей электродви­ жущей силы термопары изменится. В тех случаях, когда температу­ ра свободного конца остается неизменной, развиваемая т. э. д. с. будет зависеть только от температуры рабочего конца термопары

Е аб { Ш = / (0-

Функциональную зависимость для разных материалов опреде­ ляют экспериментально путем градуировки термопары. При этом изменение температуры сводится к определении} Е аб (^Ко). Для измерения температуры в цепь термопары 3 (рис. ШЛО, б) вводят электроизмерительный прибор 4. Этим прибором может быть мил­ ливольтметр или потенциометр. В технике милливольтметр с присо­ единенной к нему термопарой называют термоэлектрическим пиромет­ ром. Включение в цепь термопары дополнительных соединительных проводов 5 и милливольтметра 4 не влияет на величину т. э. д. с., развиваемую термопарой.

39