книги из ГПНТБ / Кулаков М.В. Технологические измерения и приборы для химических производств учебник

Разновидностью ртутных термометров являются контактные термометры, используемые в основном для сигнализации о нару­ шении заданного температурного режима. На рис. 11 показан одноконтактный термометр с контактами из платиновой проволоки, впаянными в нижней части капилляра и на уровне отметки,

п

\

N

40

зан такой термометр (термосигнализатор), у которого рабочим контактом служит тонкая вольфрамовая проволока, находящаяся внутри капилляра. Контакт перемещается с помощью винта овальной гайки, заключенной в овальную трубку. Винт вращается при помощи подковообразного магнита, установленного на диа­ магнитном колпачке в верхней части термометра. У последнего две шкалы: верхняя для установки контакта на заданную темпе­ ратуру и нижняя, по которой отсчитывается температура.

в измеряемую среду, то резервуар его и жидкостный столбик будут находиться при разных температурах. Поправка на высту­ пающий столбик вычисляется по формуле

С2— температура, показываемая термометром;

tr — средняя температура выступающего столбика, изме­ ряемая вспомогательным термометром, резервуар ко­ торого прикреплен к середине выступающего стол­ бика основного термометра.

Если температура выступающего столбика ниже измеряемой, то поправка At имеет положительный знак, а если выше — отрицательный. Ошибки, вызванные выступающим столбиком, могут достигать значительной величины, и пренебрегать ими не

следует.

Ртутные стеклянные термометры благодаря простоте устрой­ ства и монтажа, дешевизне и относительно высокой точности пока­ заний довольно широко применяются в лабораторной и произ­ водственной практике. Основные недостатки жидкостных сте­ клянных термометров — невозможность регистрации и передачи показаний на расстояние, значительная тепловая инерция.

§ 11. Термометры, основанные на расширении твердых тел

На рис. 13 показан трубчатый дилатометрический (биметал­ лический) термометр. Он состоит из-трубки 1, изготовленной из металла с большим коэффициентом линейного расширения (ла­ туни, меди, алюминия, стали), и стержня 2, изготовленного из материала с малым коэффициентом линейного расширения (кварца, инвара). Стержень 2 опирается на пробку 3, ввинченную в конец трубки 1. Последняя ввернута в головку 4, в которой помещается рычажный передаточный механизм 5—8. Термометр с помощью ниппеля 12 ввинчивается в бобышку, укрепленную на стенке

41

или крышке сосуда, температуру внутри которого надо измерить; при этом трубка должна быть целиком погружена в измеряемую среду. При повышении температуры трубка 1 удлиняется значи­ тельно больше, чем стержень 2, вследствие чего толкатель 13, опирающийся на стержень 2, пе; вмещается вниз. Это перемеще­ ние системой рычагов 5— 8 передается стрелке 10, которая указы­ вает на шкале температуру в градусах.

Другой вид биметаллического термометра схематически пока­ зан на рис. 14. Он состоит из дугообразной изогнутой пластинки,

Верхний предел измерения при использовании биметалличе­ ской пластинки ограничивается пределом упругости материала. В качестве чувствительного элемента применяют также плоские и винтовые спирали. Пределы измерения биметаллическими тер­ мометрами от — 150 до +700° С, погрешность 1— 1,5%,

42

§ 12.: Манометрические термометрь!

Схема манометрического термометра показана на рис. 15. Прибор состоит из термобаллона /, капиллярной трубки 2 и ма­ нометрической части 3—6.

Вся система прибора (термобаллон, капилляр, манометри­ ческая пружина) заполняется рабочим веществом. Термобаллон помещают в зону измерения темпера­ туры. При нагревании термобаллона давление рабочего вещества внутри замкнутой системы увеличивается. Уве­ личение давления воспринимается манометрической трубкой (пружиной), которая воздействует через передаточ­ ный механизм на стрелку или перо прибора. Термобаллон обычно изготов­ ляют из нержавеющей стали, а капил­ ляр — из медной или стальной трубки

свнутренним диаметром 0,15—0,5 мм.

Взависимости от назначения прибора длина капиллярной трубки может быть различна (до 60 м). Для защиты от механических повреждений капилляр помещают в защитную оболочку из стального плетеного рукава.

Иногда капилляра может не быть и термобаллон непосредственно соеди­ няется с манометрической частью.

В манометрических термометрах применяют одновитковые, многовитковые (геликоидальные) с числом вит­ ков от 6 до 9 и спиральные манометри­ ческие трубки.

Манометрические термометры широ­ ко применяют в химических производ­ ствах. Они просты по устройству, надежны в работе и при отсутст­ вии электропривода диаграммной бу­ маги — взрыво- и пожаробезопасны.

Спомощью этих приборов можно

измерять температуру в диапазоне от — 120 до +600° С. Различают следующие типы манометрических термометров. Газозаполненные (газовые), вся система которых заполнена

газом под некоторым начальным давлением.

Жидкозаполненные (жидкостные), система которых заполнена жидкостью.

Конденсационные, в которых термобаллон частично заполнен низкокипящей жидкостью, а остальное его пространство запол­ нено парами этой жидкости.

43

Устройство всех типов манометрических термометров анало­ гично. Они бывают показывающими, самопишущими и контакт­ ными.

Электрическая схема контактного манометрического термо­ метра показана на рис. 16. Он состоит из термобаллона, капил­ лярной трубки и мансметрической трубчатой пружины. На стрелке 1 термометра имеется электроконтакт, который при со­ прикосновении с контактами 2 (минимальной температуры) или 3 (максимальной температуры) замыкает электрическую цепь одной

из сигнальных ламп 4. Предельные контакты 2 и 3 устанавли ваются на заданную температуру по шкале 5 прибора ключом, вставленным в гнездо кнопки, укрепленной в центре стекла при­ бора. Прибор подключается к электросети через клеммную ко­ робку 6.

44

Шкала термометра получается равномерной, что является его преимуществом.

В диапазоне измеряемых температур различия свойств реаль­ ных и идеальных газов незначительны и учитываются при градуи­

Газ для заполнения манометрических термометров должен быть химически инертным, обладать незначительной вязкостью, малой теплоемкостью, легко получаться в чистом виде. Всем этим требованиям наиболее полно удовлетворяет азот. Термометры, заполненные азотом, применяются в диапазоне температур от О до +600° С.

Так как в системе термометра относительно большое началь­ ное давление, то влияние колебания атмосферного давления на показания прибора небольшое и его практически можно не учи­ тывать. Отклонение температуры окружающей среды от +20° С

Погрешность от изменения температуры для капилляра полу­ чается больше, чем для манометра. Из формулы (41) видно, что погрешность возрастает пропорционально объему, а следова­ тельно, и длине капилляра. Она может быть уменьшена увеличе­ нием объема термобаллона при той же длине капилляра. Обычно объем термобаллона составляет 90% общего объема термометра.

Пользуясь формулой (41), можно подсчитать ту наибольшую для данного термобаллона длину капилляра, при которой погреш­ ность AtK не будет превышать некоторое заданное значение при данной разности температур.

45

При правильно выбранном соотношений объемов термобаллона, капилляра и трубчатой пружины термометры могут работать достаточно точно без температурной компенсации при длине капилляра до 40—60 м. При очень большой длине капилляра необходимый объем термобаллона становится слишком большим

изначительно возрастает тепловая инерция прибора.

Кспецифическим недостаткам газовых манометрических тер­ мометров относятся их сравнительно большая тепловая инерция,

обусловленная низким коэффициентом теплообмена между стен­ ками термобаллона и наполняющим его газом и малой теплопро­ водностью газа; большие размеры термобаллона, что затрудняет его установку на трубопроводах небольшого диаметра, и необхо­ димость частой проверки. Последнее вызвано тем, что в эксплуа­ тации газовых термометров возможны нарушение герметичности и утечка газа, что не всегда можно сразу заметить.

Манометрические жидкостные термометры* В приборах этого типа вся система термометра заполняется жидкостью под некото­ рым начальным давлением. К жидкостям, применяемым для за­ полнения, предъявляются следующие требования: возможно боль­ ший коэффициент объемного расширения, высокая теплопровод­ ность, небольшая теплоемкость и химическая инертность к мате­ риалу термометра.

Для заполнения обычно применяют ртуть (в интервале темпе­ ратур от —30 до +600° С) и ксилол (в интервале температур от

—40 до +200° С).

Изменение давления от температуры для жидкости можно

A t — изменение температуры в °С.

Как следует из уравнения (42), изменение давления жидкости при нагревании является линейной функцией температуры и поэтому жидкостные термометры так же, как и газовые, имеют равномерную шкалу.

Для предохранения жидкости от закипания в термометре обеспечивается начальное давление порядка 1,47— 1,96 МН/м2 (15—20 кгс/см2).

Благодаря большой теплопроводности жидкости термобаллон термометра сравнительно быстро принимает температуру изме­ ряемой среды. Однако по этой же причине погрешности от коле­ бания температуры окружающей среды у жидкостных термоме­ тров больше, чем у газовых. Температурные погрешности под­ считываются по тем же формулам, что и для газовых термометров.

46

При значительной длине капилляра для жидкостных термометров необходимо применять компенсационные устройства.

На рис. 17 показан один из вариантов компенсационного устройства, у которого рядом с основным капилляром есть допол­ нительный (компенсационный) капилляр, один конец которого (у термобаллона), запаян, а другой соединен со вспомогательной (компенсационной) пружиной. Оба капилляра и обе пружины заполняются одной и той же рабочей жид­ костью и имеют одинаковые характеристики.

С изменением температуры окружающей среды давление жидкости в обоих капилля­ рах и в обеих пружинах изменяется, вслед­ ствие чего вспомогательная пружина, рас­ кручиваясь или скручиваясь, действует в направлении, противоположном действию основной пружины, и тем самым исключается влияние температуры окружающей среды на показания прибора.

Для жидкостных термометров следует также учитывать погрешность, вызванную различным положением термобаллона отно­ сительно манометра по высоте; погрешность эту можно скомпенсировать установкой стрелки илипера прибора при помощи механического корректора на нуль или на­ чало шкалы после монтажа термометра на месте.

Жидкость практически несжимаема, по­ этому изменение атмосферного давления не влияет на показания прибора.

Конденсационные манометрические тер­ мометры, В конденсационных термометрах термобаллон обычно заполняется на 2/3 объема низкокипящей жидкостью. Перед за­

полнением термометра воздух из системы удаляется. В замкну­ той системе термометра всегда существует динамическое равно­ весие одновременно протекающих процессов испарения и кон­ денсации. При повышении температуры усиливается испарение жидкости и увеличивается упругость пара, а в связи с этим усиливается также и процесс конденсации.' В результате насы­ щенный пар достигает некоторого определенного давления, строго отвечающего температуре.

Среда, заполняющая капилляр и манометрическую трубку, служит передатчиком давления, независимо от того, жидкая она или газообразная. Так как однозначная зависимость давления насыщенного пара от температуры существует только до крити­ ческой температуры, то верхний предел шкалы термометра должен быть ниже критической температуры данной жидкости. Давление

47