книги из ГПНТБ / Кондрашкова Г.А. Технологические измерения и приборы целлюлозно-бумажной промышленности учеб. пособие

где ß — температурный коэффициент линейного расширения (для металлов порядка ІО-5 1 /° С);

Lo — начальная длина при U\ t — измеряемая температура.

Кроме того, эти устройства имеют значительные габарит и тер­ мическую инерцию.

Перечисленные недостатки приводят к преимущественному ис­ пользованию таких преобразователей в качестве элементов для коррекции температурных погрешностей измерительных устройств или в качестве сигнализаторов достижения тех или иных зна­

тую систему, состоящую из стального или латунного про­ долговатого термобаллона 1, медного соединительного ка­ пилляра 2 (d = 0,1 -т-0,5 мм) и манометрической системы 3, заполненных термометриче­ ским веществом. Термобаллон 1 обычно заключают в защит­ ный кожух 4, герметически со­ членяемый с объектом. Кожух

предохраняет термобаллон от механического и химического разру­ шения и позволяет заменять его без нарушения герметичности объекта. Капилляр защищен от механических повреждений гибкой стальной пружинящей трубкой 5; его длина может доходить до 60 м.

Известно, что тепловое воздействие на термометрическое ве­ щество, заключенное в системе, должно привести к изменению его

const), тенденция к расширению термометрического вещества при­ водит к повышению его давления согласно закону сжимаемости, из которого следует, что

no

где AP — изменение давления, необходимое для уменьшения на­ чального объема Ѵ0 на величину ДѴ;

|л — коэффициент сжимаемости термометрического вещества. Решая совместно (4.4) и (4.5), получаем

АР = I - At.

В общем случае величина б не постоянна и зависит от темпе­ ратуры и начального давления термометрического вещества.

Таким образом, при изменении температуры измеряемой среды давление в системе изменяется согласно (4.6), в результате чего по шкале манометра отмечается измеренная температура.

Пределы измерения термометров определяются температурой затвердевания и кипения термометрических веществ, по характеру которых они делятся на три основные разновидности:

1) газовые, в которых вся система заполнена инертным газом (азотом);

2)жидкостные, в которых находится жидкость (ртуть, реже органические жидкости);

3)конденсационные (по старой терминологии — паровые или

парожидкостные), заполненные отчасти низкокипящей жидкостью, отчасти ее насыщенными парами1.

Рассмотрим дополнительные погрешности манометрических термометров и пути их уменьшения.

1.Барометрическая погрешность связана с изменением атмо­ сферного давления и его влиянием на значение Ро в замкнутой системе. Для исключения этого недостатка выбирают большое значение начального давления Ро, под которым находится термо­ метрическое вещество в системе.

2.Температурная погрешность появляется под влиянием воз­ действия температуры окружающей среды на капилляр и мано­ метрическую систему. Для ее уменьшения требуется: а) умень­ шить объемы капилляра и манометра относительно объема тер­ мобаллона до 10%, что при достаточной длине капилляра может

привести к увеличению объема термобаллона и тепловой инерции

1 В 3-й группе шкала неравномерна в отличие от 1 и 2-й. Кроме того, эти термометры ограничены применением для бізм»^окр. ср, где они аналогичны жидкостным, и для бізм■С^окр. ср, где они аналогичны газовым. Здесь <0нр. ср температура окружающей среды.

111

прибора; б) использовать дифференциальное включение двух ана­ логичных систем встречно, в одной из которых термобаллон от­ сутствует. В последнем случае воздействие окружающей среды на отдельные системы взаимно компенсируется в дифференциальном устройстве. Этот путь является радикальным, но дорогим.

3. Гидростатическая погрешность связана с появлением в жид костных термометрах гидростатического давления. Для исключе­ ния ее необходимо устанавливать термобаллон и манометр по од­ ной линии горизонта, либо вводить механическую коррекцию нуля прибора после его установки на место эксплуатации.

Перечисленные погрешности по-разному проявляются в жид­ костных, газовых и конденсационных термометрах.

Достоинствами манометрических термометров являются: срав­ нительная простота конструкции и применения, возможность ди­ станционного измерения температуры и автоматической записи показаний.

К недостаткам манометрических термометров относятся: отно­ сительно невысокая точность измерения (класс точности 1,6; 2,5 или 4,0 и реже 1,0); небольшое расстояние дистанционной пере­ дачи показаний (не более 60 м), трудность ремонта при разгерме­ тизации измерительной системы, необходимость частых поверок, большая инерционность.

Эти приборы нашли широкое применение в ЦБП в силу пере­ численных достоинств и унификации с другими приборами пнев­ матической ветви ГСП. Подробнее с манометрическими термомет­ рами можно познакомиться в работах [27, 59].

§ 4. ТЕРМОМЕТРЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ

температуры изменяет активное сопротивление электрическому току. При измерении температуры с помощью ТС в комплект вхо­ дят соединительные провода и приборы, измеряющие активное сопротивление, но проградуированные в единицах температурных шкал.

Материалами для ТС служат проводники и полупроводники. Последние в настоящее время применяются в измерительной прак­ тике (и в ЦБП) редко, так как они имеют невоспроизводимые ха­ рактеристики: разброс их градуировочных характеристик доходит до ±20% у разных образцов. Поэтому остановимся только на проводниковых термометрах электрического сопротивления, так как характеристики ряда ТС стандартизированы.

Основные требования к материалам ТС:

а. Большой температурный коэффициент электрического со­ противления, что обеспечивает большую чувствительность при­ бора.

112

Температурный коэффициент принято характеризовать урав­ нением

а = ^ 100 —

100 ’

где Ro и Rюо — соответственно сопротивления материала при 0 и 100° С.

б. Большое удельное сопротивление, обеспечивающее при вы­ бранном сечении проволоки, определяемом допускаемой мощно­ стью рассеяния энергии при прохождении тока, небольшую длину при заданном значении Ro. Этим же достигается снижение влия­ ния на результаты измерения соединительных и коммутационных проводов путем увеличения R o для тех же конструктивных разме­ ров проволоки.

в. Линейная или близкая к ней зависимость изменения сопро­ тивления от изменения температуры.

г. Химическая инертность — металл не должен окисляться или вступать в какое-либо иное взаимодействие с окружающей средой.

д. Отсутствие старения, обусловливающее неизменность физи­ ческих свойств материала.

е. Воспроизводимость материала, обеспечивающая возмож­ ность изготовлять термометры в больших количествах с однотип­ ными характеристиками.

В соответствии с этими требованиями в стандартных ТС полу­ чили применение платина и медь, характеристики которых све­

=3,96847-ІО-3-0С-1; 5 = 5,847-10-7-“С"2; С= —4,22• ІО“12-0С~4.

Адля медных ТС

Устройство платиновых ТС приведено на рис. 4-2. Неизолиро­ ванную платиновую проволоку 1 диаметром 0,07 мм бифилярно наматывают на слюдяную пластинку 2 с зубчатыми краями. Би­ филярная намотка исключает появление индуктивного сопротив­ ления. Пластинка с намотанной на ней платиновой проволокой покрывается с обеих сторон слюдяными пластинками таких же размеров. К каждому концу платиновой проволоки приваривается

а это недопустимо. Если датчик делать из слишком мягких мате­ риалов, практически не оставляющих следов на поверхности ци­ линдра, то потребуется частая смена датчика. Кроме того, непо­

Датчик укрепляется на штанге с помощью хомута и устанав­ ливается на расстоянии 0,2—0,4 мм от поверхности цилиндра. ТС располагается в центре специального отражающего экрана, который воспринимает тепловой поток от цилиндра и передает на ТС. Конструкция экрана и его установка по отношению к ци­ линдру определяет потери тепла и, следовательно, методическую погрешность измерения температуры цилиндра.

Идентичная установка экрана при градуировке и при эксплуа­ тации (что особо требуется соблюдать при бесконтактном способе измерения температуры) позволяет учесть в некоторой степени постоянную составляющую этой погрешности. В противном случае

116

разница показаний измеряемого и градуировочного значения тем­ пературы при одной и той же температуре цилиндра может быть весьма большой. Например, увеличение зазора между цилиндром и экраном с 0,4 до 0,8 мм приводит к появлению систематической погрешности, равной —6° С.

Поэтому в приборе предусмотрена грубая (цанговым зажимом) и точная (микрометрическим винтом) регулировка зазора. При этом цилиндр не должен иметь недопустимого эксцентриситета.

Датчики ДТВ-038 обычно соединяются с показывающими или самопишущими вторичными приборами многоточечными, как и все стандартные ТС, трехпроводными линиями.

Визмерительный комплект с ТС входят либо приборы с непо­ средственным преобразованием измерительного сигнала в отсчетную величину, либо приборы уравновешивающего преобра­ зования.

Кпервым относятся магнитоэлектрические логометры, напри­ мер типа Л64.

Вкачестве вторых используются:

неуравновешенные мосты постоянного и переменного тока с указателями неравновесия в виде логометров, милливольтметров или миллиамперметров (обычно магнитоэлектрической системы после выпрямления, если используется мост переменного тока), например, типа ЛСЩПр-00-18;

пирометрические магнитоэлектрические узкопрофильные мил­ ливольтметры с встроенными предварительными преобразовате­ лями мостового типа, например из серии АСК типов МВУб и

с блоками унифицирующих стандартных преобразователей типа ПТ-ТС-62, имеющих выходной сигнал постоянного тока 0— 5 мА;

автоматические электронные уравновешенные мосты постоян­ ного и переменного тока, например новейшие приборы типа КСМ или КПМ.

При желании для ТС могут применяться после унифицирую­ щих преобразователей с выходным сигналом в виде напряжения постоянного тока автоматические электронные потенциометры (на­ пример, типа ДСП и КП) или указатели (типа КСУ, построенные на основе этих же потенциометров). Однако в связи с большими погрешностями унифицирующих преобразователей ( ±1%) сочета­ ние ТС с потенциометрами, погрешности которых весьма малы

±(0,25ч-0,5) %, не имеет смысла.

Ипервая и вторая группа приборов для работы с ТС относится

каналоговым электрическим приборам, которые подробно рас­ смотрены в гл. 3 § 3.

117

§ 5. Т Е Р М О Э Л Е К Т Р И Ч Е С К И Е Т Е Р М О М Е Т Р Ы

Если составить цепь из двух разнородных проводников, термо­ электродов А и В (рис. 4-3), то возникает т. э. д. с. Е, равная

при которой находится спай /, рабочий конец цепи, и 2, свобод­ ный конец цепи, и, во-вторых, контактной разностью потенциалов из-за разной работы выхода электронов у разнород­

ных металлов, зависящей от температуры. Поддерживая температуру одного из спаев, на­

ментально, то такое устройство можно использо­ вать для измерения температуры t, измеряя т. э. д. с. Е. Это устройство получило название термопары.

Термопара является чувствительным элементом термоэлектрического термометра, который, кроме чувствительного элемента, имеет защитный чехол, керамические изоляторы для выводов термоэлек­ тродов и соответствующее применению заполнение внутренней полости чехла.

Для включения электрического прибора необхо­ димо разорвать цепь термопары либо в спае 2, либо в одном из термоэлектродов. Обязательным усло­ вием является одинаковая температура в точках подключения прибора.

Термоэлектродные материалы, предназначенные для изготов­ ления термопар, должны отвечать следующим условиям: не дол­ жны изменять с течением времени своих физических свойств, не должны окисляться и поддаваться иным вредным воздействиям, величина т. э. д. с. этих материалов должна быть достаточной для точных измерений и изменяться однозначно в зависимости от тем­ пературы; температурный коэффициент электросопротивления их должен быть по возможности минимальным, а электропровод­

Для выбора пар в термопаре определяют градуировочные кри­ вые термоэлектродных материалов в паре с платиной, а затем бе­ рут два материала, один из которых имеет наибольшее значение положительного потенциала, а другой — отрицательного.

Наиболее употребляемые термоэлектродные пары образуют стандартные термопары, наименование и характеристика которых приведены в таблице 4-2 в соответствии с ГОСТ 3044 — 6Е

118

Кроме того, используются и специальные, например, малоинер­ ционные или жаростойкие термопары.

Конструктивное оформление термоэлектрических термометров (ТТ) определяется конкретными условиями измерения, к числу которых относятся: диапазон измеряемых температур, характер их изменения, физические и химические свойства окружающей соеды, ограничения по габариту, монтажу, особые условия и т. д.

Термопары в электрических термометрах конструктивно пред­ ставляют собой два термоэлектрических проводника диаметрами

от 0,5 мм (ПП-1) до 3 мм (ХК, ХА), механически и с помощью сварки или пайки соединенных в месте рабочего спая. Остальная длина проводников изолируется с помощью асбеста, керамиче­ ских или кварцевых бус или трубок в зависимости от измеряемой температуры.

Особое внимание следует уделить выбору материала защитной арматуры и изоляции термоэлектрического термометра, в против­ ном случае изменение физических и химических свойств, термо­ электродов (выделение паров, газов, окислительно-восстановитель­ ные процессы и т. д.) будет вызывать изменение т. э. д. с. или обрыв цепи термопары.

Для стандартных термопар, для которых известны градуиро­ вочные зависимости E= f(t) погрешности ТТ образуются из: по­ грешности невоспроизводимости градуировочных характеристик от образца к образцу и во времени; погрешности от изменения температуры свободных концов термопары; динамической погреш­ ности.

119