книги из ГПНТБ / Смирнов А.А. Основы автоматизации целлюлозно-бумажного и лесохимического производств учебник для техникумов

Р А З Д Е Л II

КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ ОБЩЕПРОМЫШЛЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ

ГЛАВА 3. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ

Определение понятия — температура. Единицы измерения. Т е м ­ п е р а т у р о й называется физическая величина, характеризующая нагретость тела, т. е. его тепловое состояние. Значение темпера­ туры обусловливается размером кинетической энергии поступатель­ ного движения молекул. Чем выше температура тела, тем больше скорость его молекул, тем больше их кинетическая энергия. С изме­ нением кинетической энергии молекул тела изменяется его тепловое состояние, а вместе с этим изменяются и многие физические свой­ ства: при нагревании тело расширяется, а при охлаждении сжима­ ется; изменяется электрическое сопротивление и т. д.

Температура не поддается непосредственному измерению. Поэтому о температуре тел судят по изменению физических свойств, т. е. применяют косвенные методы измерения.

В 1848 г. Кельвин (У. Томсон) предложил построить темпера­ турную шкалу на термодинамической основе. Теоретическим законом построения этой шкалы является обратимый цикл Карно в тепловой системе (второй закон термодинамики). В этом цикле тело, совершающее цикл, поглощает теплоту Qi при температуре Т\ и отдает тепло Q2 при температуре Т2, при этом отношение абсо­ лютных температур Т2/Ті равно отношению количеств тепла Q2/Q1-

Работа в цикле Карно пропорциональна разности температур и не зависит от термометрического вещества. Термодинамическая шкала тождественна шкале идеального газа, построенной на за­ висимости давления идеального газа от температуры. Законы изме­ нения давления в зависимости от температуры для реальных газов отклоняются от идеальных, но поправки на отклонения реальных газов невелики и могут быть установлены с высокой точностью.

Единицей термодинамической температуры является кельвин (символ К). Кельвин есть 1/273,16 часть термодинамической тем-

38

пературы тройной точки воды (равновесие между твердой, жидкой и парообразной фазами воды). Единицей, применяемой для выра­ жения температуры по Цельсию, есть градус Цельсия (символ °С) равный кельвину. Разность температур выражают в кельвинах или в градусах Цельсия.

Температура по Цельсию (символ t) определяется выражением

где Г0= 273,15 К.

Трудности воспроизведения термодинамической шкалы привели к созданию Международной практической температурной шкалы, выбранной таким образом, чтобы температура, измеренная по этой шкале, была близка к термодинамической температуре, и разности между ними оставались в пределах современной точности изме­ рений.

Международная практическая температурная шкала 1968 г. основана на следующих значениях температур, присвоенных опре­ деленному числу воспроизводимых состояний равновесия (опре­ деляющих постоянных точек) чистых веществ:

тельны для состояний равновесия при давлении 101325 Па (нор­ мальная атмосфера).

Для определения промежуточных температур между вышеука­

Классификация приборов. Для измерения температуры приме­ няются термометры и пирометры.

39

Т е р м о м е т р а м и называются измерители температуры, в ко­ торых для получения информации о температуре часть тепловой

По принципу действия термометры классифицируются следую­ щим образом:

термометры расширения стеклянные, основанные на использо­ вании зависимости удельного объема вещества от температуры; дилатометрические и биметаллические термометры, основанные на использовании зависимости расширения твердых тел от темпера­

туры; манометрические термометры, основанные на использовании

зависимости давления жидкости, газа или пара при постоянном объеме (в замкнутом сосуде) от температуры;

термометры сопротивления, основанные на использовании за­ висимости электрического сопротивления проводников и полупро­ водников от температуры;

термоэлектрические термометры, основанные на использовании свойства металлов и их сплавов развивать в паре между собой термоэлектродвижущую силу, являющуюся при прочих равных условиях функцией температуры.

По принципу действия пирометры классифицируются следую­ щим образом:

радиационные пирометры, действие которых основано на изме­ рении мощности излучения нагретого тела;

оптические пирометры, использующие излучение видимой обла­ сти спектра.

Известны также другие пирометры (цветовые, фотоэлектриче­ ские и т. д.), используемые в металлургии и теплоэнергетике для измерения высоких температур.

Термометры расширения стеклянные. Измерение температуры ртутными стеклянными термометрами основано на использовании зависимости удельного объема термометрического вещества (ртути) от температуры с учетом различия коэффициентов теплового расши­ рения ртути и термометрического стекла, из которого изготовлены капилляр и баллон термометра.

Нижний предел применения термометров ограничивается темпе­ ратурой затвердевания (—38,9°С), верхний — температурой кипе­ ния ртути (при нормальном атмосферном давлении 356,58°С), а также температурой размягчения термометрического стекла

(650° С).

Для повышения верхнего предела измерения пространство над ртутью в капилляре всех термометров заполняют инертным газом (азотом) под избыточным давлением, в результате эти термометры применяются для измерения температуры от —35° до 600° С.

40

полном погружении, т. е. при погружении в измеряемую среду до

отсчитываемой отметки.

Т е р м о м е т р ы т е х н и ч е с к и е с в л о ж е н н о й ш к а л ь н о й п л а с т и н к о й (рис. 7) градуируются при полном погружении всей нижней (хвостовой) части в измеряемую среду.

Т е р м о м е т р ы к о н т а к т н ы е отличаются впаянными в капил­ ляр на определенной высоте контактами из никеля или платины. Один контакт впаивается в нижней части термометра, а другой (или два других) — против отметки шкалы, соответствующей максимально допустимой температуре измеряемой среды. Контакты замыкаются электрической цепью, в которую включены источник

41

электрического питания и сигнал (звонок или лампа). Эта схема может быть усложнена введением в цепь реле того или иного типа. Сигнал о достижении предельной температуры подается в тот момент, когда столбик ртути достигнет верхнего контакта и цепь замкнется.

Обслуживание ртутных стеклянных термометров в период эксплуатации сводится к периодической очистке от оседающей пыли, к обеспечению их сохранности и наблюдению за правиль­ ностью эксплуатации. Кроме того, каждый термометр в установ­ ленные сроки поверяют на месте установки или в лаборатории.

Термометры лабораторного типа необходимо погружать в изме­ ряемую среду до отсчитываемой отметки. Если же полного погру­ жения обеспечить не удается, то к показаниям термометра следует прибавлять поправку на выступающий столбик по уравнению

Температура выступающего столбика определяется вспомога­ тельным термометром, который на время прикрепляют к оправе рабочего термометра. Погрешность измерения в результате осаж­ дения ртути в выступающем столбике может достигать 2—3% от измеряемой температуры, поэтому введением поправки на высту­ пающий столбик не следует пренебрегать. Допустимая погреш­ ность показаний ртутных стеклянных термометров, в зависимости от интервала измеряемых температур и цены наименьшего деле­ ния, составляет ± 1ч-1,5%. Значительное отставание (инерция или запаздывание) показаний, а также отсутствие записи и передачи показаний ограничивает применение ртутных стеклянных термомет­ ров и заставляет заменять их более совершенными приборами.

Кроме ртутных, для диапазона температур от —80 до +100° С применяют термометры, заполненные толуолом, в диапазоне от —80 до +80° С — заполненные этиловым спиртом и другие жидкрстные термометры расширения.

Биметаллические и дилатометрические термометры. Действие биметаллических и дилатометрических термометров основано на использовании различия коэффициентов теплового расширения

элементом являются двухслойные пластинка или спираль. Коэф­ фициенты теплового расширения их слоев значительно различа­

Один конец пластинки или спирали закреплен неподвижно, а вто­

42

рой соединен передаточным механизмом с указателем и может пе­ ремещаться при деформации чувствительного элемента, что позво­ ляет судить о размере температуры. Деформация пластинки или спирали происходит вследствие неодинакового расширения слоев при их нагревании или охлаждении. Класс точности биметалличе­

ских термометров 2,5.

В д и л а т о м е т р и ч е с к и х т е р м о м е т р а х чувствительным элементом является сама металлическая защитная трубка термо­ метра, изготовленная из латуни; при нагревании она удлиняется. Внутри трубки находится стержень из инвара. Один конец стержня упирается в дно защитной трубки, а второй — в рычаг передаточ­ ного механизма. По существу стержень также является частью передаточного механизма. Изменения длины защитной трубки при ее нагревании или охлаждении через передаточный механизм ска­ зываются на положении указателя температуры или контактов двухпозиционного регулирующего устройства. Классы точности дилатометрических термометров 1,5 и 2,5.

Манометрические термометры. Действие манометрических тер­ мометров основано на использовании зависимости давления жид­ кости, насыщенного пара или инертного газа при постоянном объ­ еме от температуры. Они предназначены для измерения темпера­ туры в пределах от —150 до + 1000° С.

Замкнутая измерительная система манометрического термо­ метра (рис. 8 ) состоит из первичного измерительного преобразова­ теля, воспринимающего температуру измеряемой среды и преобра­ зующего тепловую энергию в энергию давления, — металлического

градуированной в градусах Цельсия.

При нагревании термобаллона увеличивающееся в его полости давление заполнителя передается по капиллярной соединительной трубке в полость манометрической пружины, а упругая деформа­ ция пружины через передаточный механизм вызывает отклонение стрелки по шкале или пера по диаграмме измерительного прибора.

По виду заполнителя термосистемы манометрические термо­ метры разделяются на жидкостные с областью измерения от —150 до +300° С, конденсационные с областью измерения от —50 до + 300° С, газовые с областью измерения от —150 до +600° С и со специальным заполнителем с областью измерения от 100 до 1000° С.

В качестве заполнителей ж и д к о с т н ы х манометрических тер­ мометров применяют ртуть и органические жидкости — метиловый спирт (до 150°С) и ксилол (до 300°С). Жидкостью заполняются полностью термобаллон, соединительный капилляр и полость ма­ нометрической пружины.

С целью снижения возможной гидростатической погрешности от разности высот расположения термобаллона и первичного при­ бора, а также для уменьшения запаздывания показаний длина со­ единительного капилляра составляет не более 10 м.

43

Жидкостные манометрические термометры изготовляются следу­ ющих классов точности: 1,0; 1,5; 2,5. При отклонении температуры окружающей среды от номинальной, равной 20 ±2° С для термомет­ ров класса 1,0 и 20±5° С для термометров классов 1,5 и 2,5, воз­ никает дополнительная погрешность, размер которой тем больше, чем длиннее соединительная капиллярная трубка и больше объем манометрической пружины. Для снижения температурной погреш­ ности рабочий объем термобаллона стремятся сделать как можно больше по сравнению с внутренним объемом соединительного ка-

Рис. 8. Манометрический термометр:

а — термобаллон; 6 — капиллярная трубка; в — манометр

пилляра и пружины манометра. Это возможно при длине капил­ ляра до 10 м. В тех случаях, когда желательно иметь более длин­ ный соединительный капилляр, применяют специальные компенси­ рующие устройства.

Влияние внешней температуры на показания жидкостных мано­ метрических термометров компенсируют одним из следующих ме­ тодов:

методом полной компенсации путем прокладки второй капил­ лярной трубки той же длины, что и основная, но без термобаллона и введения второй манометрической пружины, аналогичной основ­ ной пружине, но действующей в противоположном направлении; методом полукомпенсации (на температуру пружины) путем использования биметаллического поводка в передаточном меха­

низме;

44

методом полукомпенсации (на температуру капиллярной труб­ ки) путем прокладки внутри капилляра тонкой проволоки из ин­ вара, обладающего незначительным коэффициентом термического расширения, вследствие чего при колебаниях температуры капил­ лярной трубки изменяется объем кольцевого пространства вокруг проволоки и давление в системе выравнивается.

При наличии компенсирующих устройств длина соединитель­ ного капилляра достигает 25 м. Шкала жидкостных манометриче­ ских термометров равномерная.

объема термобаллона, остальная часть его заполнена насыщен­ ными парами этой жидкости.

Соединительный капилляр и трубчатую пружину заполняют дру­ гой жидкостью, например смесью, состоящей из 75% глицерина, 20% этилового спирта и 5% воды, которая не испаряется и служит только для передачи давления к пружине измерительного прибора. Такое заполнение снижает дополнительную погрешность от влия­ ния температуры окружающей среды, так как изменение объема передаточной жидкости в капилляре и пружине приводит лишь к изменению соотношения между жидкой и паровой фазами в тер­ мобаллоне, не меняя в нем давления, зависящего только от тем­ пературы. В этом случае дополнительная погрешность от влияния температуры окружающей среды определяется изменением переда­ точного числа в измерительном механизме манометра от расшире­ ния металлических деталей.

Соединительный капилляр может иметь длину до 16 м. Шкалы конденсационных манометров неравномерные, расширяющиеся к концу, что обусловливается нелинейностью соотношения между температурой кипения и соответствующим давлением.

Манометрические конденсационные термометры изготовляются следующих классов точности: 1,5; 2,5; 4,0. Они действительны для второй и третьей третей шкалы термометра; на первой трети шкалы, где деления сужены, класс точности соответствует следу­

пиллярная соединительная трубка — из цельнотянутой медной трубки, имеющей защитную оболочку — оплетку из стальной оцин­ кованной проволоки. Вследствие невозможности изготовления

45

длинных металлических капиллярных трубок уже при длине более 5 м соединительный капилляр набирается из отдельных коротких кусков. Куски соединяются манжетами из меди, которые опаива­ ются. Соединительный капилляр может иметь длину до 50 м; пер­ вый типоразмер 0,6 м, затем 1 м, 1,6 м, 2,5 м и т! д.

Удлинение капиллярной трубки ведет к необходимости увели­ чения объема термобаллона, так как для устранения температур­ ной погрешности от влияния внешней среды должно быть соблю-. дено определенное соотношение между объемом термобаллона и суммой объемов капиллярной трубки и пружины.

При длине соединительного капилляра 60 м термобаллон имеет глубину погружения до 1000 мм, что создает трудности при уста­ новке в объекты измерения. Кроме того, с увеличением длины ка­ пилляра возрастает запаздывание в передаче сигнала от термобал­ лона к манометру.

При прокладке капиллярной трубки нужно соблюдать боль­ шую осторожность. Недопустимы резкие перегибы, многократные изгибания в разные стороны, удары и т. п. Лишнюю часть капил­ лярной трубки аккуратно свертывают и укрепляют на задней стенке корпуса первичного прибора.

Основным условием нормальной работы газовых манометриче­ ских термометров является правильное обслуживание и быстрое выявление и устранение замеченных неисправностей.

В процессе эксплуатации газовых манометрических термомет­ ров нередко выявляется утечка азота. Устранение этого дефекта представляет трудоемкую операцию. Вследствие наличия этих не­ достатков манометрические газовые термометры чаще применяют с короткими соединительными капиллярами.

Газовые манометрические термометры изготовляются следую­ щих классов точности: 1,0; 1,5; 2,5. Шкалы газовых манометриче­ ских термометров равномерные.

К манометрическим термометрам в общем случае, т. е. вне за­ висимости от вида заполнителя, предъявляются следующие требо­ вания:

класс точности приборов с дополнительными устройствами для телеметрических передач, сигнализации и регулирования устанав­ ливается для показывающей (самопишущей) части приборов;

точность выходных сигналов дополнительного устройства не должна быть менее следующего низшего класса точности прибора; точность срабатывания сигнального устройства (разность между показаниями указателя сигнализации и действительным значе­ нием температуры в момент появления или исчезновения сигнала) не должна быть менее следующего низшего класса точности при­

бора; точность показания (записи) прибора в момент срабатывания

сигнального и регулирующего дискретного устройства не должна быть менее следующего низшего класса точности прибора;

пределы допускаемых основных погрешностей показаний (записи и выходных сигналов) приборов в процентах от диапазона

46