Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теплотехнические измерения параметров состояния вещества. Методические указания к лабораторным и практическим работам для курсантов специальности 2405
.pdf
Министерство транспорта РФ
Федеральное агентство морского и речного транспорта
ИНСТИТУТ ВОДНОГО ТРАНСПОРТА ИМЕНИ Г.Я. СЕДОВА -
филиал Федерального государственного бюджетного образовательного
учреждения высшего профессионального образования
«ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МОРСКОЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ
АДМИРАЛА Ф.Ф. УШАКОВА»
Комиссаров К.Б., Лутков С.А., Филь А.В.
ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ СОСТОЯНИЯ
ВЕЩЕСТВА
(учебно-методическое пособие к лабораторным и практическим работам)
Новороссийск
2015
УДК 536.2.08 + 621.1.002.56
Рецензент - доктор технических наук, проф. Туркин В.А.
Комиссаров К.Б., Лутков С.А., Филь А.В.
Теплотехнические измерения параметров состояния вещества: методиче-
ские указания к лабораторным и практическим работам для курсантов специаль-
ности 240500 «Эксплуатация судовых энергетических установок» и специально-
сти 180403 «Организация перевозок и управление на транспорте» очной и заочной
форм обучения. Издание переработанное и дополненное. / Комиссаров К.Б., Лутков С.А., Филь А.В. - Ростов-на-Дону: Институт водного транспорта им. С.Я. Седова - филиал ФГОУ ВПО ГМУ им. адмирала Ф.Ф.Ушакова, 2015. - 40 с.
Настоящие учебно-методическое пособие к лабораторным и практическим
работам является переработанной и расширенной версией пособия тех же авторов
2009 года выпуска «Теплотехнические измерения параметров состояния веще-
ства».
Представлены краткие теоретические положения и методические указания
по теплотехническим измерениям температуры, давления и расхода веществ.
Описаны традиционные, а также современные усовершенствованные методы и
приборы для указанных измерений. Рекомендуется в качестве учебно-
методического пособия при проведении практических и лабораторных работ по
дисциплинам «Техническая термодинамика и теплопередача», «Судовые холо-
дильные установки и системы кондиционирования воздуха», «Судовые турбома-
шины» и «Транспортная энергетика» для курсантов специальностей 26.05.06
«Эксплуатация судовых энергетических установок» и 23.03.01 «Технология
транспортных процессов».
Табл. 6. Илл.22. Библ. назв.6.
ОГЛАВЛЕНИЕ
1. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ................................................................................ 4
1.1. ПОНЯТИЕ О ТЕМПЕРАТУРЕ. ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ
........................................................................................................................................ 4
1.2. ЖИДКОСТНЫЕ ТЕРМОМЕТРЫ ....................................................................... 4
1.2.1. Основные правила монтажа жидкостных стеклянных термометров........ 5
1.3. МАНОМЕТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ .......................................................... 6
1.4. ДАТЧИКИ ТЕМПЕРАТУРЫ — ТЕРМОМЕТРЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ И
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ТЕМПЕРАТУРЫ
(ТЕРМОПАРЫ) .......................................................................................................... 10
1.4.1. Особенности монтажа датчиков температуры и факторы, влияющие на
погрешность измерений ......................................................................................... 14
1.4.2. Основные ошибки при монтаже датчиков температуры ......................... 17
1.5. ПИРОМЕТР ......................................................................................................... 17
1.6. ВТОРИЧНЫЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ................. 22
2. ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ И РАЗРЕЖЕНИЯ ....................................................... 24
2.1. ЕДИНИЦЫ И МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ И РАЗРЕЖЕНИЯ .... 24
2.2. МАНОМЕТРЫ .................................................................................................... 25
2.2.1 Жидкостные стеклянные манометры .......................................................... 25
2.2.2. Пружинные манометры ............................................................................... 27
2.2.3. Поверка манометров .................................................................................... 29
3. ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА ......................................................................................... 33
3.1. Приборы для измерения расхода методом переменного перепада давления
...................................................................................................................................... 33
3.1.1. Сужающие устройства ................................................................................. 34
3.1.2. Дифференциальные манометры ................................................................. 37
ЛИТЕРАТУРА ............................................................................................................... 40
3
1. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ
1.1. ПОНЯТИЕ О ТЕМПЕРАТУРЕ. ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРА-
ТУРЫ
Температура представляет собой меру средней кинетической энергии дви-
жения молекул тела. Для определения температуры установлены температурные
шкалы: международная практическая (стоградусная) и абсолютная термодинами-
ческая — шкала Кельвина. Исходными значениями при построении шкалы тем-
пературы и определении единицы измерения (градуса) являются температуры пе-
рехода чистых веществ из одного агрегатного состояния в другое.
В Международной системе измерений СИ единицей измерения температу-
ры является градус Кельвина (Т К). В промышленных измерениях отсчет температуры ведется по шкале Цельсия (t °С). Для шкалы Кельвина температура абсо-
лютного нуля соответствует —273,16°С. Поэтому температурную шкалу Кельви-
на (Т К) и шкалу Цельсия (t °С) связывает следующее соотношение:
TК = t °С + 273,16 °С.
Например, если температура объекта, измеренная по шкале Цельсия, со-
ставляет 100°С, то по шкале Кельвина она будет равна: T К = 100 °С + 273,16 =
373,16.
1.2. ЖИДКОСТНЫЕ ТЕРМОМЕТРЫ
Жидкостный термометр - прибор для измерения температуры, принцип
действия которого основан на тепловом расширении жидкости. Представляет со-
бой прозрачный стеклянный (редко кварцевый) резервуар с припаянным к нему
капилляром (из того же материала), и нанесенной на толстостенный капилляр или
жестко закрепленную пластину измерительной шкалой. Применяются для изме-
рения температур в области от -200°С до +750°С. При этом, очевидно, показания
жидкостного термометра зависят не только от изменения объема термометрической жидкости, но также и от изменения объема стеклянного резервуара, в кото-
ром находится эта жидкость. Таким образом, наблюдаемое (видимое) изменение
объема жидкости преуменьшено на размер, соответственно равный увеличению
объема резервуара (и частично капилляра). Для заполнения жидкостных термо-
метров применяют ртуть, толуол, этиловый спирт керосин, петролейный эфир,
пентан т. д.
Из жидкостных термометров наибольшее распространение получили ртут-
ные. Они обладают рядом преимуществ благодаря существенным достоинствам ртути, которая не смачивает стекла, сравнительно легко получается в химически чистом виде и при нормальном атмосферном давлении остается жидкой в
широком интервале температур (от — 38,87 до + 356,58°С). Следует также отметить, что давление насыщенных паров ртути при температуре, превышающей
356,58°С, невелико по сравнению с давлением насыщенных паров других жидко-
стей. Это дает возможность относительно небольшим увеличением давления
над ртутью в капилляре заметно повысить ее температуру кипения, а вместе с тем
и расширить температурный интервал применения ртутных термометров.
4
К числу недостатков ртути с точки зрения термометрии следует отнести
сравнительно малый коэффициент расширения. При измерении температуры термометрами, заполненными органическими жидкостями, необходимо иметь в виду,
что они смачивают стекло, а вследствие этого понижается точность отсчета пока-
заний.
Рабочая часть термометра (резервуар) устанавливается в зону контролируе-
мой температуры; при нагревании резервуара жидкость увеличивается в объеме:
Vt=V0(1+t),
где V0- объем жидкости при 0°С, Vt - объем жидкости при температуре t;
- коэффициент объемного расширения, t - температура, °С
При увеличении температуры объекта увеличивается объем жидкости в резервуаре, за счет чего жидкость поднимается вверх по капилляру и устанавливается на соответствующей высоте, пропорциональной температуре нагрева. Отсчет
температуры производится по шкале, отградуированной в градусах Цельсия. Цена
деления шкалы зависит от внутреннего диаметра капилляра и типа рабочей жидкости. Устройство и общий вид жидкостных стеклянных термометров представ-
лен на рис. 1.1.
В зависимости от формы нижней (рабочей) части термометры подразделя-
ются на прямые - типа А и угловые - типа Б с углом 90 или 135°. Стеклянные тер-
мометры выпускают двух видов: технические и лабораторные. Для защиты приборов от механических повреждений используют защитные оправы типов А, Б, В.
Эта маркировка соответствует рабочему давлению измеряемой среды - низкое,
среднее, высокое. В основном такая группа приборов используется для местного
контроля температуры технологических объектов, трубопроводов и т. д.
1.2.1. Основные правила монтажа жидкостных стеклянных термометров
1. Правильно выбрать место контроля температуры (нельзя использовать
место, значительно удаленное от истинного значения контролируемой температу-
ры; без использования теплоизоляции).
2. Правильно смонтировать гильзу для «отбора» температуры (рабочая
часть термометра - резервуар - должна находиться в середине потока измеряемой
среды).
3. Установить в гильзу термометр с соответствующей оправой.
4. Для теплопередачи залить гильзу любым машинным маслом.
5
Рис. 1.1. Ртутные стеклянные термометры: а — прямые типа А, б — угловые типа
Б, в — электроконтактные; 1 — корпус, 2 — шкала, 3 — капилляр, 4 — резервуар,
5 — заглушка, 6 — контакты
1.3. МАНОМЕТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ
Принцип действия приборов основан на использовании зависимости изменения давления рабочей жидкости, помещенной в постоянный объем датчика, от
температуры измеряемого объекта. В зависимости от заключенного в системе рабочего вещества манометрические термометры разделяются на газовые, жидкостные и парожидкостные. Выбор рабочего вещества производится исходя из заданных пределов измерения и требуемой чувствительности прибора. Схема манометрического термометра показана на рис. 1.2. Замкнутая система прибора, заполненная рабочим веществом, состоит из термобаллона 1, погружаемого в измеряемую среду, трубчатой (манометрической) пружины 2, воздействующей посредством тяги 3 на стрелку или перо прибора, и капиллярной трубки 4, соединяющей пружину с термобаллоном. Последний представляет собой стальную или
латунную трубку, закрытую с одного конца, а с другого соединенную с капилляром. Посредством съемного штуцера 5 с сальниковым уплотнением и резьбой
термобаллон устанавливается в трубопроводах, баках и т. п. Возможна установка
его в защитной гильзе.
При нагреве термобаллона увеличение в нем давления рабочего вещества
передается через капилляр трубчатой пружине и вызывает раскручивание послед-
6
ней до тех пор, пока действующее на нее усилие, пропорциональное разности
давлений в системе и окружающем воздухе, не уравновесится силой упругой деформации трубки. Соединительный капилляр изготовляется из медной или сталь-
ной трубки с внутренним диаметром 0,2—0,4 и толщиной стенки 0,5—2 мм. Сна-
ружи он защищен металлической оплеткой. Длина капилляра достигает 60 м. В
качестве упругого элемента в термометрах применяется одновитковая и много-
витковая трубчатая пружина. На рис. 1.3 и 1.4 показаны общие виды приборов
данной группы. Как правило, эти приборы имеют электрические сигнальные кон-
такты, используемые в цепях управления и автоматики технологических процессов. За счет большой массы датчика (термобаллона) эти приборы имеют значи-
тельные запаздывания (инерционность) показаний в пределах 40-80 с. Маномет-
рические термометры используют как для местного, так и дистанционного контроля температуры. Датчик температуры (термобаллон) устанавливают в контролируемой зоне, а сам прибор может монтироваться в щитах и пультах, с учетом
длины соединительной капиллярной трубки. Монтажная длина трубки в зависимости от модификации прибора составляет 2,5; 4; 6; 10; 16; 25 м. В табл. 1.1 приведены основные типы манометрических приборов для измерения и дистанцион-
ного контроля температуры объектов.
Рис. 1.2 Схема манометрического термометра: 1 – термобаллон; 2 - трубчатая
(манометрическая) пружина; 3 – тяга; 4 - капиллярная трубка; 5 - штуцер
7
г)
Рис. 1.3 Манометрические термометры: а - типа ТПГ-СК, б - типа ТС-100: 1 - тер-
мобаллон, 2 - капилляр, 3 - прибор; в - монтаж прибора; г - внешний вид
8
Тип прибора
Назначение
Пределы измере-
ний,°С
Особенности конструкции
прибора
ТС- 100
ТПГ-СК
ТКА-160
ТПЖ-4
Для местных измерений и сигнализации
0—100
0—200
0—400
Имеют сигнальное
устройство
ТЖС-711
ТЖС-712
ТГС-711
ТГС-712
Для дистанционного
контроля и записи
параметра на диа-
грамме
от — 50 до + 50
0—150
0—200
0—300
0—400
Имеют самопишущий узел
Рис. 1.4 Термометр самопишущий регулирующий ТСГ-711р: 1 - термобаллон,
2 - капилляр, 3 - стрелка, 4 - задатчик, 5 - корпус
Таблица 1.1
Основные типы манометрических приборов для измерения температуры
При установке манометрических термометров в трубопроводах (рис. 1.3в)
термобаллон помещается в середину потока. Термобаллон газовых и жидкостных
термометров может занимать любое положение, а конденсационных - верти-
кальное (капилляром вверх) или слегка наклонное. При измерении температуры
среды, находящейся под большим давлением, термобаллон устанавливается в за-
щитной гильзе с заполнителем. Корпус прибора располагается в месте, свободном
от вибрации, и защищается от радиации нагретых тел. При прокладке капилляра
предусматривается защита его от механических повреждений. Крепление капилляра к опорным поверхностям производится при помощи крючков или скоб, без
9
резких перегибов. Температура окружающей капилляр и пружину среды не долж-
t, °С
R, Ом
t, °С
R, Ом
t, °С
R, Ом
t, °С
R, Ом
-200
8,654
20
53,95
260
99,61
640
164,94
-180
12,99
40
57,89
280
103,26
650
166,55
-160
17,28
60
61,80
300
106,88
-140
21,50
80
65,69
320
110,49
-120
25,68
100
69,55
400
124,68
-100
29,81
120
73,39
420
128,16
-80
33,0
140
77,21
460
135,07
-60
37,7
160
81,00
500
141,88
-40
42,00
180
84,77
540
148,59
-20
46,01
200
88,51
580
155,20
0
50,00
220
92,23
620
163,34
на превышать 60°С.
1.4. ДАТЧИКИ ТЕМПЕРАТУРЫ — ТЕРМОМЕТРЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ И
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ТЕМПЕРАТУРЫ (ТЕР-
МОПАРЫ)
При измерении температуры объектов широко используются датчики тем-
пературы - термометры сопротивления и термоэлектрические преобразователи
температуры (термопары). Эти типы датчиков самостоятельно не могут измерять
температуру объектов, а работают в комплекте со специальной группой измери-
тельных приборов.
Термометры сопротивления (ТС) - датчик для измерения температуры -
конструктивно выполняется намоткой медной или платиновой проволоки 2 на
изоляционный каркас 1 (рис. 1.5). Для защиты от механических повреждений и
удобства монтажа термометры сопротивления заключают в защитную арматуру
различных модификаций. Общий вид термометров сопротивлений представлен на
рис. 1.6. Принцип действия ТС основан на изменении их электрического сопро-
тивления от температуры, которое обусловлено тепловым колебанием кристаллической решетки металла: чем выше температура датчика, тем выше колебания
решетки и степень подвижности свободных электронов, а следовательно, больше
электрическое сопротивление. В общем виде зависимость имеет вид Rt = R0(1+t),
где Rt - сопротивление датчика при его нагревании на t°C; R0 - сопротивление
датчика при 0°С; -температурный коэффициент. Характеристики термометров
сопротивления различных типов и их градуировка представлены в табл. 1.2- 1.3.
Таблица 1.2
Градуировка платинового термометра сопротивления 50П (R0 = 50 Ом)
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]