Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Системы управления технологическими процессами. Учебное пособие для студентов 3 и 4 курсов направлений подготовки 151000, 222900, 240100, 240700, 2410.pdf
Рис. 2.1. Термоконтактор
с подвижным контактом:
1 – постоянный магнит; 2 – медный провод;
3 – оболочка; 4 – верхняя шкала;
5 – микровинт; 6 – подвижный контакт;
7 – нижняя шкала; 8 – неподвижный контакт;
9 – резервуар; l – длина нижней части;
L – длина верхней части; l
– длина изогнутой
1
части; d – диаметр нижней части
Рис. 2.2. Термоконтактор
с заданным контактом:
1 – зажим; 2 – оболочка;
3 – шкала; 4, 5 – контакты;
6 – капилляр; 7 – резервуар;
l – длина нижней части;
L – длина верхней части;
– длина изогнутой части;
l
1
d – диаметр нижней части
2.2. ДИЛАТОМЕТРИЧЕСКИЕ И
БИМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ТЕРМОДАТЧИКИ
Дилатометрические и биметаллические термодатчики предназначены для сигнализации и регулирования температуры воздуха, а также
для контроля жидких и газообразных сред (воды, воздуха и т.д.).
Датчики-реле являются не показывающими приборами, а имеют
шкалу задания температуры срабатывания контактов.
Чувствительный элемент дилатометрических термодатчиков состоит из трубки, изготовленной из металла с большим коэффициенто
м
температурного линейного расширения (латунь, алюминий и др.),
и находящегося внутри трубки стержня из металла с малым коэффициентом температурного расширения (например, из инвара).
11
Рис. 2.3. Схема устройства
чувствительного элемента
дилатометрического
преобразователя температуры:
1 – трубка из металла с большим
коэффициентом температурного
расширения; 2 – стержень из металла
с малым коэффициентом
температурного расширения
Рис. 2.4. Схема устройства
чувствительного элемента
биметаллического
преобразователя температуры:
1, 2 – полосы из металлов с разными
коэффициентами температурного
линейного расширения;
3 – держатель подвижного контакта
Трубку прибора погружают полностью в контролируемую среду.
При изменении температуры среды изменяется длина трубки; связанный с ней стержень перемещается, в результате чего замыкаются (размыкаются) контакты или перемещается чувствительный элемент преобразователя (рис. 2.3). В качестве чувствительного элемента в биметаллических преобразователях используется пластинка или спираль,
состоящая из двух сваренных по всей длине металлических пластин
ыми коэффициентами температурного линейного расширения
с разн
(например, из меди и инвара). При изменении температуры среды биметаллическая пластинка (спираль) изгибается, перемещая чувствительный элемент преобразователя или переключая контакты
(рис. 2.4). Различают термодатчики двухпозиционные типа ДТКБ
(биметаллические) и типа ТУДЭ (дилатометрические), а также трёхпо-
зиционные типа ТБ-ЭЗ
К (биметаллические).
2.3. МАНОМЕТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ
Принцип действия измерителей температуры, называемых манометрическими термометрами, основан на использовании однозначной
зависимости между температурой и давлением термометрического
вещества, находящегося в герметично замкнутой манометрической
термосистеме. Манометрическая термосистема состоит из термобалло-
12
на, соединительной трубки (дистанционного капилляра) и упругого чувствительного элемента, которые совместно образуют
герметический объём, занятый наполнителем – термометрическим (рабочим) веществом. Принципиальная схема показывающего прибора изображена на рис. 2.5.
Измерение температуры контроли-
6
5
4
3
2
1
А
А
7
8
А–А
руемой среды воспринимается заполнителем термосистемы через термобаллон 1 и
преобразуется в измерение давления (объёма). Это измер
ение по соединительному
Рис. 2.5. Манометрический
термометр
капилляру 2 передаётся упругому чувствительному элементу 4, представляющему собой одновитковую манометрическую пружину пережатого сечения. Один конец пружины, связанный с капилляром, жёстко
закреплён в держателе 3, а другой – герметизирован и свободно перемещается под действием избыточного давления (объёма). Движение
свободного конца пружины через передаточный механизм 8 преобразуется в пер
емещение стрелки прибора 6 относительно шкалы 5. Компенсация погрешности термометра при изменении температуры окружающей среды осуществляется термобиметаллическим компенсатором 7.
Манометрическая пружина имеет сечение овальной формы
(рис. 2.6, г) или в виде восьмёрки (рис. 2.6, в). Профиль сечения
пружины последнего вида обладает рядом преимуществ.
Если термосистема манометрического термометра заполнена азотом, гелием ил
ные приборы заполняются кремнийорганической полиметилсилоксановой жидкостью МПС-5 по ГОСТ 13032–77
и аргоном, то приборы называются газовыми; жидкост-
*
. Термометры с система-
ми, заполненными низкокипящими жидкостями (фреоном, хлористым
метилом, ацетоном, этилбензолом), пары которых при измеряемой
температуре частично заполняют термобаллон, называются конденсационными (парожидкостными).
Шкалы манометрических газовых и жидкостных термометров
равномерные; конденсационных манометрических – не равномерные
(сжатые на первой трети шкалы).
Максимально допустимые значения показателей тепловой инерции при измерении температуры во
здуха (газа) без движения находят-
ся в пределах от 500 до 800 с, при движении воздуха со скоростью
7 м/c – от 60 до 120 с. Те же показатели в воде соответственно от 15 до
30 с и от 3 до 6 с. Меньшие показатели инерционности у газовых тер-
мометров, большие у жидкостных и конденсационных. Тепловая
инерция увеличивается с удлинением соединительно
го капилляра.
13
Рис. 2.6. Схема устройства показывающего манометрического термометра:
a – термосистема; б – термобаллон; в, г – профили сечения пружины;
1 – термобаллон; 2 – капилляр; 3 – держатель; 4 – сектор; 5 – поводок;
6 – компенсатор; 7 – спиральный волосок; 8 – указательная стрелка;
9 – трубка; 10 – манометрическая пружина
Соединительный капилляр изготавливают из латунной трубки
размерами 2,5×0,35 мм, защищённой по всей длине полиэтиленовой
оболочкой (обычное исполнение) или металлической лентой. Для приборов тропического исполнения применяют ленту из коррозионностойкой стали. Капилляр необходимо прокладывать вдали от источников теплоты и холода, а также защищать от механических воздействий; минимальный радиус закругления при мо
не менее 50 мм.
Термобаллон из стали марки 12Х18Н10Т снабжён жёстким трубчатым хвостовиком различной длины, позволяющим погружать его
в измеряемую среду на необходимую длину, которая оговаривается
при заказе термометра. Для присоединения термометра к установке
предусматривают присоединительный штуцер с вкладышами из стали
марки А20, которые в обоснованных сл
учаях по предварительной договорённости с изготовителем выполняются из стали марки
12Х18Н10Т. Термобаллон выдерживает давление до 6,4 МПа.
Для случаев больших давлений пользователю необходимо изготавливать защитную гильзу. В целях увеличения теплопроводности
пространство между защитной гильзой и термобаллоном необходимо
заполнить металлическими опилками или жидкостью с температурой
кипения более высокой, че
14
м верхний передел измерения.
нтаже должен быть
Основным условием правильности измерения температуры является полное погружение термобаллона в измеряемую среду. Положение термобаллона может быть любым: вертикальным, горизонтальным, наклонным. Корпус показывающих и самопишущих манометрических термометров должен устанавливаться только вертикально.
У газовых приборов длина термобаллона зависит от длины капилляров, у жидкостных – от пределов измерения.
Дополнительная погрешность (%) п
оказаний приборов, вызванная
отклонением температуры окружающего воздуха t от 20 °С, вычисля-
ется по формуле
[x + k (t – 20)],
λ = +
где х – половина основной допустимой погрешности (%), которая численно равна половине класса точности; k – температурный коэффициент, равный для конденсационных приборов 0,025, для газовых – 0,05
и для жидкостных – 0,075.
Манометрические термометры выпускают в различных вариантах
исполнения: в виде показывающих, самопишущих приборов без или со
встроенными устройствами сигнализации или регулирования температуры. Общие требования, которым долж
ны удовлетворять манометри-
ческие термометры, определены ГОСТ 8624–80.
В самопишущих манометрических термометрах (рис. 2.6) давление в термосистеме, однозначно связанное с температурой термобаллона и передаваемое капилляром, преобразуется в деформацию спиральной пружины.
Один конец пружины закреплён в держателе, а свободный конец
шарнирно связан посредством скобы, поводка, термобиметаллического
компенсатора с рычагом, который жёстко соединён с п
оворотным рычагом. Перо для записи показаний расположено на конце рычага. Запись
показаний производится на дисковой бумажной диаграмме, которая
приводится во вращение (чаще со скоростью одного оборота в сутки)
с помощью часового механизма или электрического синхронного микродвигателя. Имеются модификации манометрических термометров, записывающие показания от двух отдельных термосистем. Ма
нометрические
термометры применяются для измерения, записи и регулирований температуры газов, паров и жидкостей в диапазоне от –150 до 1000 °С.
2.4. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ (ТЕРМОПАРЫ)
Действие термоэлектрических преобразователей (ТП) основано
на эффекте Зеебека – одном из 12 термоэлектрических явлений,
известных в современной физике твёрдого тела.
15
а) б)
Рис. 2.7. Принцип действия термопары
Термоэлектрический преобразователь представляет собой термопару, состоящую из двух разнородных проводников Р и Q, соединённых между собой в двух точках, как схематически показано на рис. 2.7.
На границе раздела двух различных металлов имеется контактная разность потенциалов Е
(t), зависящая от рода металлов и от температу-
PQ
ры контакта.
В цепи, показанной на рис. 2.7, а, контактные разности потенциалов образуются в точках 1 и 2. Если t
= t2, то они равны между собой
1
и, будучи противоположно направленными, взаимно уравновешиваются. Если же t
< t2, то в цепи развивается результирующая ЭДС:
1
Е = EPQ(t1) – EPQ(t2), (2.1)
называемая термоэлектродвижущей силой (термоЭДС). Места контактов называются спаями термопары.
Из (2.1) следуют следующие свойства термопары:
1. Если в цепи термопары включён третий проводник (проводник R
на рис. 2.7, б) и его концы находятся при одинаковых температурах
′
tt′′=
(
), то включение этого третьего проводника не изменяет ЭДС
22
цепи. Третьим проводником могут быть провода прибора, измеряющего ЭДС термопары, и провода, соединяющие его с термопарой. Если
концы термопары, подключённые к соединительным проводам, находятся при одинаковых температурах, то подключение измерительного
прибора не изменяет термоЭДС.
2. ЭДС термопары является функцией двух независимых темпе-
р – температур её спаев Е = E(t
рату
16
, t2) – и не зависит от температур
1
других точек термопары. ЭДС термопары есть сумма функций одной
′
′
′
′
′
′
′
′
переменной.
3. Если термопара имеет температуры спаев t и t
, то термоЭДС
0
равна алгебраической сумме двух ЭДС, одна из которых генерируется
при температуре спаев t и
E(t, t0) = E(t,
, другая – при температурах
0
) + E(
′
t
,
t ). (2.2)
0
0
t
0
t
и
t :
0
0
t
Это свойство используется при измерении температуры спая t,
t
если температура второго спая
которой была произведена градуировка термопары. При t
отличается от температуры t0, при
0
= 0 функция
0
E(t, 0) представляет собой градуировочную функцию преобразования
данной термопары. Значение E(t,
′
t
а значение E(
, 0) – по значению температуры
0
функции преобразования. По значениям E(t,
E(t
, 0), по которой определяется измеряемая температура. Термоэлек-
0
t
) определяется экспериментально,
0
t
и градуировочной
0
t
) и E(
t
0
, 0) вычисляется
0
трические преобразователи используются для измерительного преобразования температуры в ЭДС. Термоэлектрический датчик обычно
называется термопарой. В таблице 2.1. приведены наиболее широко
используемые термопары (ГОСТ 6616–84) и их основные характеристики (ГОСТ 3044–84). Градуировочные характеристики и допустимые
погрешности этих термопар также приведены в ГОСТ 3044–84.
2.1. Технические характеристики
Обозна-
Тип
ТМК МК(М) Медь М1(Cu) Копель
ТХК ХК(L)
ТХА ХА(К)
ТПП ПП(S)
термоэлектрических преобразователей
чение
НСХ
Материал термоэлектрода
положительного отрицательного от до
МНМц 43-0,5
(56% Cu + 44% Ni)
Хромель ТНХ9,5
(90,5% Ni + 9,5% Cr)
Платинородий
ПР-10
(90% Pt + 10% Rh)
Алюмель
НМц АК2-2-1
(94,5% Ni + 5,5% Al,
Si, Mn, Co)
Платина ПлТ(Pt) 0 1300 1600
Предельная температура
измерения, °С
при длительном
применении
–200
при кратко-
временном
применении
+100 100
+600 800
+1000 1300
17
Обозна-
Тип
чение
НСХ
ТПР ПР(В)
ВР(А)1
ТВР
ВР(А)3 1800
Материал термоэлектрода
положительного отрицательного от до
Платинородий
ПР-30
(70% Pt + 30% Rh)
Вольфрам-рений
ВР-5
(95% W + 5% Re)
Платинородий
ПР-6
(94% Pt + 6% Rh)
Вольфрам-рений
ВР-20
(80% W + 20% Re)
Продолжение табл. 2.1
Предельная температура
измерения, °С
при длительном
применении
300 1600 1800
0
при кратко-
временном
применении
2200
2500 ВР(А)2 1800
Устройство промышленной термопары
показано на рис. 2.8. Термоэлектроды 1 изолируются друг от друга керамическими бусами 2
или керамической трубкой; одним своим концом они свариваются, другим – подсоединяются к зажимам в головке 3, служащей для подключения внешних проводов. Термоэлектроды
помещаются в защитный чехол 4 (трубку, закрытую с одной стороны). Чех
жаропрочной стали, а при измерении очень
больших температур – из керамики или кварца.
Место соединения термоэлектродов называется горячим или рабочим спаем. Противоположные концы называются холодными или
свободными. Обычно в месте свободного спая
термопара разомкнута. ЭДС термопары обычно
не превосходит 50 мВ (см. табл. 2.1).
Рис. 2.8. Устройство
термопары
Схемы включения. Рабочий конец тер-
ры погружается в среду, температуру ко-
мопа
торой требуется измерить. Свободные концы
подключаются к вторичному прибору. Если
температура свободных концов постоянна, то подключение может
быть сделано медным проводом, а если не постоянна, то оно выполняется специальными удлинительными (компенсационными) проводами.
В качестве последних используются два провода из различных материалов. Провода п
одбираются так, чтобы при температуре свободных
спаев и в паре между собой они имели такие же термоэлектрические
свойства, как и рабочая термопара.
18
ол делается из
2.2. Градуировочные характеристики некоторых термопар
t, °C
Градуировка
ХК
ХА
ПП-1
0 20 40 50 60 80 100 200 300
0 1,31 2,66 3,35 4,05 5,48 6,95 14,66 22,91
0 0,80 1,61 2,02 2,43 3,26 4,10 8,13 12,21
0 0,112 0,234 0,299 0,368 0,500 0,643 1,436 2,314
При подсоединении к термопаре компенсационные провода удлиняют её и дают возможность отвести холодный спай образованной
составной термопары в такое место, где температура остается постоянной.
Термоэлектрические преобразователи (ТП) с металлическими
электродами предназначены для измерения температуры в комплекте
с милливольтметрами, автоматическими потенциометрами, измерительными преобразователями.
Термопары для измерения низких температур. Харак
терной
особенностью термоэлектрического метода измерения низких температур является то, что с убыванием температуры ухудшаются условия
генерирования термоЭДС. При переходе в состояние сверхпроводимости термоэлектрический эффект Зеебека, на котором основано действие ПТ, очевидно, полностью исчезает.
Термопары для измерения средних температур. Термопара
хромель–алюмель (ТХА) обладает наиболее близкой к прямой термоэлектрическ
ой характеристикой. Термоэлектроды изготовлены из
сплавов на никелевой основе. Хромель (НХ9,5) содержит 9...10% Сr;
0,6...1,2 % Со; алюмель (НМцАК) – 1,6...2,4% Al, 0,85...1,50% Si,
1,8...2,7% Mn; 0,6...1,2% Со. Алюмель светлее и слабо притягивается
магнитом; этим он отличается от более тёмного в отожжённом состоянии совершенно немагнитного хромеля. Благодаря высокому содержанию никеля хромель и алюмель лучше других неблагородных металлов по ст
ойкости к окислению. Учитывая почти линейную зависимость термоЭДС термопары хромель–алюмель от температуры
в диапазоне 0...1000 °С, её часто применяют в терморегуляторах.
Термопары для измерения высоких температур. Измерение
высоких температур связано с трудностями, обусловленными большими скоростями процессов диффузии, окисления, изменения кристаллической структуры и т.п. Поэтому то
лько платина и её сплавы с металлами платиновой группы пригодны для длительной эксплуатации
в окислительных средах. При этом платина проявляет склонность
19
к выделению из сплавов в виде летучей окиси, которая в определённых
условиях восстанавливается до платины. При длительной эксплуатации восстановленная платина образует нитевидные кристаллы, которые могут шунтировать электроды термопары, снижая её показания.
Для инертной среды и вакуума применяются различные тугоплавкие
металлы и их сплавы.
Термопара хромель–копель (ТХК) обладает бо
льшей термоЭДС, чем ТХА, но уступает по жаростойкости и линейности характеристики. Копель (МНМц 43-0,5) – серебристо-белый сплав на медной
основе, содержит 42,5…44,0% (Ni + Со), 0,1…1,0% Mn. Даже в сухой
атмосфере при комнатной температуре на его поверхности быстро образуется окисная плёнка, в дальнейшем удовлетворительно предохраняющая сплав от дальнейшего окисления.
Термопара платинородий–платина. Термоп
ара платинородий–
платина надёжна и при работе в вакууме, но менее стабильна в нейтральных средах. Не рекомендуется применять её в восстановительных
средах.
Наиболее широко распространена термопара с термоэлектро-
дами из сплава платины с 10% родия относительно электрода
из чистой платины. В определении МПТШ-68 она указана как один
из интерполяционных приборов и почти всегда испо
льзуется как стандартная термопара для установления номинальных статических характеристик методом сравнения. Она может применяться для непрерывных
измерений на воздухе или в вакууме при температурах до 1400 °С; при
нормируемом изменении номинальных статических характеристик –
до 1600 °С, для кратковременных измерений – до 1750 °С. Ниже
500 °С дифференциальная термоЭДС становится сравнительно мал
ой,
но вследствие исключительной стабильности тем не менее применяется для измерений низких температур. ТермоЭДС термопары медленно
убывает со временем из-за уменьшения содержания родия в платинородиевом термоэлектроде и появления следов родия в платиновом
термоэлектроде. На рисунке 2.9 показана зависимость термоЭДС
от содержания родия в платинородиевых сплавах.
Термопары из тугоплавких металлов и их сп
лавов. К этой
группе относятся термопары, диапазон рабочих температур которых
простирается за верхний предел применимости описанных выше термопар – 2200 °С. Наиболее пригодными тугоплавкими металлами являются вольфрам, молибден, рений, тантал, ниобий и их сплавы. Тантал и ниобий имеют низкую стабильность термоЭДС, что связано
с большой склонностью их к по
глощению газов. Поэтому они приме-
няются только для измерений в вакууме.
20