книги из ГПНТБ / Добровольский А.П. Теплотехнические испытания судовых холодильных установок

Если прибор имеет двустороннюю шкалу, то в приведенном выражении следует учитывать сумму верхнего и нижнего пределов шкалы; если шкала прибора не имеет нулевого значения, учитывают разность абсолютных значений верхнего и нижнего пределов шкалы.

Качество прибора характеризуется максимально допустимой приведенной погрешностью, определяющей точность измерений. Величина основной приведенной погрешности обусловливает класс точности прибора. Так, приборы, имеющие допустимую приведен­

При проведении теплотехнических испытаний судовых холодиль­ ных установок число измерений значительно, поэтому случайные погрешности неизбежны. Наиболее вероятное значение измеряемой величины в этом случае всегда будет равно среднему арифметиче­ скому из всех полученных при измерении значений:

^4- ^2 ~Ь ~Ь • • • ~Ь dj

Разность между результатами отдельного измерения d. и сред­ ним арифметическим значением всех измерений dcp называется оста­ точной погрешностью частных измерений:

Величина остаточной погрешности бывает положительной и отрицательной.

Оценка достоверности измерений может быть произведена по

средней арифметической погрешности

б

П

Более точной является оценка путем определения средней ква­ дратичной погрешности

Очевидно, что при обоих способах оценки погрешности наилуч-

і —п

ший результат будет при ^ ѵ( = 0,

f = i

68

IV. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ

§ 16. ТЕМПЕРАТУРНАЯ Ш КАЛ А

Измерение температуры тела основано на наблюдении за изменением физических свойств других, так называемых термо­ метрических тел, которые благодаря теплообмену вступают при определенных условиях в тепловое равновесие с исследуемым ве­ ществом. Изменение физических свойств термометрических тел в зависимости от температуры было использовано для создания температурных шкал Цельсия и Фаренгейта, зависящих от выбран­ ного для их построения термометрического вещества.

Кельвином была предложена единая температурная шкала, не зависящая от частных свойств термометрического вещества и полу­ чившая название термодинамической шкалы. Отсчет температур по ней производится от абсолютного нуля (точки, лежащей на 273,15° ниже точки плавления льда при 1 кгс/сма), в связи с чем она полу­ чила название абсолютной. Единицей измерения термодинамической температуры в Международной системе единиц (СИ) служит градус Кельвина. Для выражения практических результатов измерений температуры предусматривается применение градуса Цельсия, ко­ торый является единицей температуры Международной практиче­ ской температурной шкалы.

Численные значения термодинамической температуры, выра­ женные в градусах Кельвина (°К), Цельсия (°С) и Фаренгейта (°F),

Жидкостные термометры широко применяются для измере­ ния температуры при эксплуатации и испытаниях судовых холо­ дильных установок как обладающие достаточно высокой точностью, надежностью и имеющие небольшую стоимость. К недостаткам этих приборов относятся невозможность передачи показаний на расстоя­ ние, отсутствие регистрации показаний и хрупкость.

69

Принцип действия жидкостных термометров основан на различии коэффициентов теплового расширения жидкости и термометриче­ ского стекла. Для измерения температуры в пределах от —30 до +500° С обычно применяют ртутные термометры, ниже —30° С — термометры, заполненные этиловым спиртом или пентаном. Различают технические и лабораторные жидкостные термометры. При эксплуа­ тации судовых холодильных установок используют технические термометры, при испытаниях — лабораторные.

Термометры обеих групп изготовляют двух конструктивных форм: палочные и с вложенной шкалой.

Максимально допустимые погрешности показаний ртутных тех­ нических и лабораторных термометров в зависимости от предела

Для пределов температур, встречающихся в холодильных уста­ новках, технические термометры изготовляют с ценой деления 0,5; 1 и 2° С.

При испытаниях судовых холодильных установок для ответ­ ственных измерений используют лабораторные термометры с ценой деления 1°С. Для более точных измерений температуры служат лабораторные термометры с ценой деления 0,1° С, которые изготов­ ляют преимущественно с вложенной шкалой. Пределы показаний

70

При измерении температуры термометры вставляют в гильзы, вваренные в трубопровод. Для лучшего теплового контакта жидкост­ ного баллона термометра с веществом, температуру которого нужно измерить, гильзы заливают рассолом, водой или маслом. Хороший результат получается при заполнении, гильз медными опилками.

§ 18. МАНОМЕТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ

Манометрическими называют термометры, принцип действия которых основан на зависимости давления термометрического ве­

капиллярной трубки и прибора для измерения давления (манометра). Термобаллон, капилляр и пружина манометра заполнены термоме­ трическим веществом, в качестве которого могут служить жидкость, газ или пар. Жидкостные манометрические термометры заполняют обычно метиловым спиртом, глицерином или ртутью, а газовые, как правило, азотом с давлением 10— 12 кгс/см2. Серьезным недостатком жидкостных и газовых манометрических термометров является существенное влияние на их показания температуры среды, в кото­ рой находятся капилляр и манометр. В результате приходится увеличивать объем термобаллона, а следовательно, и инерцию при­ бора. Из-за низкой точности и значительных размеров термобаллонов жидкостные и газовые манометрические термометры даже при экс­ плуатации установки применять не рекомендуется.

Принцип действия паровых манометрических термометров осно­ ван на изменении давления насыщенного пара легкокипящей жид­ кости в зависимости от температуры. В качестве таких жидкостей применяют различные фреоны, хлористый метил и хлористый этил, что позволяет с помощью манометрических термометров измерять температуру в пределах от —50 до +150° С. Объем термобаллона на 2/3 обычно заполнен жидкостью, а остальная его часть, капилляр и пружина манометра, — насыщенным паром,. По сравнению с жид­ костными и газовыми манометрическими термометрами паровые имеют меньшие размеры термобаллонов, меньшую инерцию и более высокую чувствительность. Их применяют в основном при эксплуа­ тации установки, а при испытании — только там, где не требуется большой точности измерений.

Основное их преимущество — возможность производить измере­ ния на расстоянии и осуществлять непрерывную автоматическую запись показаний. Недостатком манометрических термометров по сравнению с обычными жидкостными является большая тепловая инерция и сложность ремонта при нарушении герметичности системы.

§ 19. ТЕРМОГРАФЫ

Термографы применяют для непрерывной длительной за­ писи температуры воздуха в охлаждаемых трюмах, наружного воздуха и воздуха в помещениях, граничащих с охлаждаемыми.

71

Запись производится на бумажной ленте (термограмме) в пределах температур от —35 до +45° С. Ленту обертывают вокруг цилиндра, внутри которого находится часовой механизм, вращающий цилиндр вокруг вертикальной оси. Существуют термографы с недельным и суточным заводом; в первом случае полный оборот барабана про­ исходит за 7 суток, во втором — за 24 ч. При значительных коле­ баниях измеряемой температуры в течение суток (например, темпе­ ратуры наружного воздуха) или кратковременных испытаниях лучше применять термографы с суточным заводом.

Изменение температуры окружающей среды воспринимается в термографах металлическим плоским герметическим сосудом, заполненным спиртом. Этот чувствительный элемент слегка изогнут и нижним концом прикреплен к основанию термографа, другой его конец через систему рычагов передает движение стрелке, на которой имеется перо, касающееся вращающейся ленты. С повы­ шением температуры спирт расширяется и выпрямляет чувствитель­ ный элемент, при этом стрелка поднимается вверх. При понижении температуры происходит обратное явление.

При включении термографа следует проверить, совпадает ли показание острия пера на ленте с показанием обычного термометра; положение пера термографа может быть уточнено с помощью спе­ циального регулирующего винта.

§ 20. ТЕРМОМЕТРЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ

Термометры сопротивления используют при косвенном изме­ рении температуры. Их принцип действия основан на изменении электрического сопротивления металлов в зависимости от темпе­ ратуры.

Большинство чистых металлов при нагревании от 0 до 100° С увеличивает свое электрическое сопротивление приблизительно на 0,4% на каждый градус. Величину относительного изменения элек­ трического сопротивления металла при изменении температуры на 1° С называют температурным коэффициентом электрического сопро­ тивления металла. Ниже приведены значения температурного коэф­ фициента электрического сопротивления некоторых металлов:

Таким образом, если известно сопротивление проводника при начальной температуре, например при 0° С, то об изменении темпе­ ратуры этого проводника можно судить, измеряя его электрическое сопротивление. Зависимость электрического сопротивления боль­ шинства металлов от температуры в первом приближении выражается линейным уравнением

Rt = Rt. [1 + а ( f — t9) l

72

где R t — сопротивление проводника при данной температуре; R t0— сопротивление этого же проводника при начальной тем­

пературе;

а— температурный коэффициент электрического сопротив­ ления.

Основанный на данном принципе измерительный прибор состоит из чувствительного элемента термометра сопротивления, вторичного прибора для измерения, источника тока, соединительных проводов и арматуры. В приборах, выпускаемых промышленностью, чувстви­ тельные элементы изготовлены преимущественно из платиновой или медной проволоки. Платина является лучшим материалом для изго­ товления чувствительных элементов термометров сопротивления, благодаря стойкости против химических воздействий и значитель­ ному удельному сопротивлению. Это позволяет измерять темпе­ ратуры в широких пределах (от — 140 до +500, а в некоторых слу­ чаях и до +1000° С). Зависимость сопротивления платины от тем­ пературы в пределах от — 140 до 660° С носит параболический характер. Медь обладает меньшей стойкостью против химических воздействий и сравнительно небольшим удельным сопротивлением; верхний предел измерения температуры медными термометрами не

сопротивление его чувствительного элемента. Чем оно больше, тем меньше сказывается на точности измерения сопротивление соедини­ тельных проводов. Повышенное сопротивление чувствительных эле­ ментов позволяет использовать более грубые, но зато более надеж­ ные вторичные приборы. Вместе с тем при увеличении сопротивле­ ния термометра требуется либо увеличить длину обмотки чувстви­ тельного элемента, что связано с увеличением размеров, а следова­ тельно, и с возрастанием тепловой инерции прибора, либо умень­ шить сечение провода, что понижает его эксплуатационную надеж­ ность, приводит к нагреву обмотки измерительным током и является причиной возрастания погрешности измерений.

Чувствительные элементы термометров сопротивления имеют достаточно большие размеры. Так, длина чувствительного элемента платинового термометра составляет примерно 120 мм, а медного — около 60 мм. Вследствие этого термометры сопротивления измеряют среднюю температуру среды, окружающей их чувствительные эле­ менты.

Чувствительный элемент платинового термометра сопротивле­ ния (рис. 34) состоит из платиновой проволоки 2 диаметром 0,07 мм и длиной около 2 м, бифилярно уложенной на слюдяную пластинку 1 длиной 90 мм и шириной 10 мм. Пластинка с намотанной на нее проволокой покрыта с обеих сторон слюдяными накладками 4 и связана в общий пакет серебряной лентой 3. Токопроводящие вы­ воды 5 в этих термометрах сопротивления обычно выполняют из серебряной проволоки диаметром 1 мм и изолируют фарфоровыми бусами. Чувствительный элемент 6 вставлен в алюминиевый вкла­ дыш 7 и вместе с ним помещен в алюминиевый защитный чехол.

73

Защитный чехол и выводы расположены в наружной арматуре, состоящей из стальной или латунной трубки с заглушенным дном, штуцерной гайки и алюминиевой головки. В головке на бакелитовом вкладыше укреплены контактные зажимы для присоединения про­ водов.

В платиновых термометрах сопротивления, предназначенных для

ные мосты, причем при использовании последних предпочтение следует отдавать электронным уравновешенным мостам с самопи­ шущим устройством. Такие мосты желательно применять при эксплуатации и испытаниях судовых холодильных установок, особенно если требуется непрерывный контроль за температурой воздуха в охлаждаемых объектах.

Принципиальная схема потенциометрического метода измерения с включением в нее термометра сопротивления показана на рис. 35. Источником тока могут служить аккумуляторная батарея или сухие элементы. Силу тока выбирают в зависимости от типа потенциометра, но не более 10 ма во избежание нагрева чувствительного элемента

74

термометра. Для регулирования силы тока в цепь введено регули­ ровочное сопротивление R p. Последовательно с источником тока включены чувствительный элемент термометра с сопротивлением R t

сопротивления и vt на клеммах термометра сопротивления измеряется потенциометром, подключаемым посредством переключателя Я.

Измерив последовательно vN и ѵ(, находят величину R t:

По величине R t, пользуясь градуировочными таблицами или графиками термометров сопротивления, определяют температуру.

Потенциометрический метод измерения может быть рекомендо­ ван для условий установившегося теплового режима или условий медленного изменения теплового состояния среды, температуру которой нужно измерить.

Принципиальная схема уравновешенного измерительного моста

свключенным в нее термометром сопротивления показана на рис. 36.

Всостав схемы входят два известных сопротивления R t и R 3, реохорд

(регулируемое сопротивление) R 2 и сопротивление термометра R.t. В одну из диагоналей моста включен источник тока, а в другую — нуль-гальванометр НГ.

Если мост уравновешен, т. е. если сила тока, проходящего через измерительную диагональ, равна нулю, то (с учетом сопротивления соединительных проводов R np) будет справедливо равенство

Ri (Rt ~Ь Rnp) — R*R3-

75

Тогда сопротивление термометра

р-

Так как сила тока в цепи моста и напряжение источника тока не входят в формулу для определения R lt то возможные колебания напряжения в пределах ±20% не приводят к искажениям прибора.

Принципиальная схема автоматического уравновешенного элек­ тронного моста показана на рис. 37. В рассматриваемую схему

Рис. 37. Схема автоматического уравновешенного электронного моста.

входят: постоянные сопротивления плеч R lt R 2 и R 3\ реохорд R p; сопротивление для подгонки сопротивления реохорда до расчетного значения Rm\ сопротивления для подгонки тока в реохорде R\ для подгонки сопротивления соединительных проводов R np и сопро­ тивление термометра Rt. В схему включены электронный усилитель ЭУ с выходным трансформатором 7\ и реверсивный двигатель РД.

Когда мост находится в равновесии, на вход электронного усили­ теля напряжение не подается, и реверсивный двигатель не вращается. При изменении температуры среды сопротивление термометра изме­ няется, и мост выходит из состояния равновесия. Напряжение не­ баланса, возникающее в измерительной диагонали, подается на вход электронного усилителя, управляющего реверсивным двига­ телем. В результате вращения двигателя движок реохорда пере­ мещается до тех пор, пока мост не станет вновь уравновешенным. Одновременно стрелка и перо, жестко соединенные с ротором ревер­ сивного двигателя, займут положение, соответствующее новому значению измеряемой температуры.

Показывающие электронные уравновешенные мосты изготовляют с вращающейся шкалой на одну, шесть и двенадцать точек изме­ рений. Самопишущие электронные уравновешенные мосты изготов­ ляют на одну, три, шесть и двенадцать точек с записью на ленточной

76

диаграмме. Электронные уравновешенные мосты выпускают для работы на постоянном и переменном токе напряжением 127 и 220 в. Их допустимая погрешность при температуре окружающей среды +20° С обычно составляет ± 1 % от интервала шкалы прибора.

Часто, особенно в эксплуатационных условиях, для измерения сопротивления термометров пользуются магнитоэлектрическими ло­

Если сопротивления двух параллельных цепей (с учетом сопро­

т. е. силы тока в этих цепях равны. В этом случае при симметричном расположении рамок действующие на них вращающие моменты М х и М 2 также равны, и система находится в равновесии.

При изменении температуры термометра сопротивления, напри­

зультате поворота на некоторый угол вращающие моменты вновь придут в равновесие.

77