Прилади для вимірювання температури

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПРИЛАДИ ДЛЯ ВИМІРЮВАННЯ ТЕМПЕРАТУРИ

1. Температура. Одиниці вимірювання температури

Температурою називається фізична величина, яка характеризує ступінь нагрівання тіла. Температуру визначають непрямим шляхом за допомогою шкали температури.

Основними приладами для автоматичного вимірювання температури об'єктів є: термометри розширення, манометричні термометри, термометри опору з логометрами або мостами, термопари з мілівольтметрами або потенціометрами, пірометри випромінювання.

Таблиця 1

2. Термометри розширення

Термометри розширення: рідинні та скляні (рис. 1) застосовують для виміру температури повітря, води, рідин, ґрунту в діапазоні від -100 до +650^оС.

Рисунок 1. Ртутні скляні термометри:

а - прямі типу А, б - кутові типу Б, в - контактні; 1 - корпус, 2 - шкала, 3 - капіляр, 4 - розширювач, 5 - заглушка, 6 - контакти

автоматичний температурний термометр

Принцип дії термометрів розширення заснований на об'ємному розширенні рідини, що знаходиться всередині скляного розширювача, під дією навколишньої температури. В середині корпуса 1 знаходиться температурна шкала 2. У нижній частині термометра знаходиться розширювач 4, що сполучений із капіляром 3 (трубкою з малим внутрішнім діаметром). Верхня частина капіляра запаяна. При нагріванні рідина збільшується в об'ємі:

V_t=V_o(1+гt),

де V_t - обсяг рідини при нагріванні на t^оC,

V_o- обсяг рідини при 0^оC;

г- коефіцієнт об'ємного розширення,

t - різниця температури, ^оC.

Піднімаючись нагору по капілярі, рідина встановлюється на висоті, пропорційній температурі нагрівання. Відлік ведеться по шкалі в градусах Цельсія.

В якості робочої рідини в скляних термометрах використовують ртуть, спирт або толуол. Ртуть є кращою робочою рідиною, тому що вона не має властивості змочування, тому в скляному капілярі не утворить увігнутого меніска, що полегшить зняття показань із термометра. Ртуть використовується для вимірювання температур вище за -39°С, так як це э точка її замерзання. Для більш низьких температур застосовуються рідкі органічні сполуки, наприклад етиловий спирт.

В залежності від форми нижньої частини, термометри розділяються на прямі - типу А і кутові - типу Б з кутом 90 або 135 градусів. Для охорони скляної оболонки термометра від ушкоджень і для зручності монтажу прилади поміщають у захисну металеву оправу.

Скляні термометри випускають двох видів: технічні і лабораторні. Похибка технічних термометрів не перевищує одного розподілу шкали, похибка лабораторних - в залежності від меж вимірів від ±0,2 до ±5^оC.

Головна причина похибки рідинних термометрів залежить від поступових незворотних змін пружності скла. Вони приводять до зменшення об'єму скла (капіляру) і підвищенню лінії відліку. Крім того, помилки можуть виникати в результаті неправильного зчитування показань або через розміщення термометра в місці, де температура не відповідає дійсний температурі середовища.

При застосуванні в якості робочої рідини етилового спирту виникають додаткові помилки, через наявність сили зчеплення між спиртом і скляними стінками трубки, тому при швидкому зниженні температури частина рідини утримується на стінках. Крім того, спирт при освітлюванні зменшує свій об'єм.

Скляні термометри через цілий ряд недоліків, порівняно велика теплова інерція, відсутності дистанційної передачі й автоматичного запису показань, в основному використовують у лабораторних дослідженнях і місцевому технологічному контролі.

Ціна поділки шкали приладу залежить від внутрішнього діаметра капіляра і типу робочої рідини. Найменша ціна розподілу шкали лабораторного термометра типу ТЛ 0,01^оC.

Термометри градуюють двома засобами: при повному зануренні самого термометра до оцінки максимальної температури, нанесеної на шкалі; при частковому зануренні в вимірювальне середовище (при даному засобі на зворотному боці термометра вказується глибина занурення).

У практичних вимірах температури на технологічних об'єктах глибина занурення термометрів відрізняється від умов градуювання. Тому необхідно вводити в показання приладу відповідну поправку на не занурену частину капіляра, тобто поправку на «виступаючий стовпчик», що охолоджується зовнішньою навколишньою атмосферою.

Абсолютне значення поправки визначається формулою Дt=1610^-4Kh (t-t1), де К-коефіцієнт, що залежить від типу робочої рідини і матеріалу скла, h - довжина виступаючого стовпчика, виражена в ^оC шкали приладу, t - показання термометра, ^оC, t1 - середня температура навколишнього середовища, ^оC.

Таблиця 2. Значення коефіцієнта К для визначення поправки температури

Захисні оправи для термометрів випускають трьох типів: А, Б і В. Оправу типу А використовують при незначному тиску, близькому до атмосферного; типу Б - при тиску середовища, що вимірюється до 6,4 МПа (64 кгс/см²); типу В - при тиску до 32 МПа (320 кгс/см²)

Також скляні термометр застосовуються для вимірювання вологості повітря, за допомогою порівняння показань сухого і змоченого термометрів у діапазоні від -35 до +50°С.

3. Манометричні термометри

Термометри манометричні призначені для дистанційного вимірювання температури рідких і газоподібних середовищ в стаціонарних промислових умовах. Вони використовують для вимірювання температур рідких і газових середовищ у діапазоні від -100 до +600^оС при робочому тиску вимірювального середовища до 6,4 МПа (64 кгс/см²) без захисної гільзи термобалону і до 25 МПа (250 кгс/см²) із захисною гільзою.

Принцип дії приладів заснований на використанні залежності зміни тиску робочої рідини, насиченого пару або газу при постійному об'ємі від температури об'єкта.

Обов'язковою умовою достовірності показань манометричних термометрів є повне занурення термобалону в вимірювальне середовище.

В залежності від наповнювача, що заповнює всю термосистему (термобалон, капіляр і чутливий елемент), манометричні термометри діляться на: газові, парорідинні і рідинні.

Газові прилади заповнюють інертним газом - азотом або аргоном, парорідинні - рідинами, (ацетон, фреон), пари яких при вимірюванні частково заповнюють термобалон, рідинні - кремнійорганічною рідиною. Шкала манометричних газових і рідинних термометрів рівномірна; в парорідинних термометрів шкала нерівномірна.

Манометричний термометр ТПГ-СК має герметично сполучені між собою термобалон 1, капіляр 2 і манометричну трубку 4 вимірювального механізму. Термобалон як датчик установлюють на контрольованому об'єкті, а його вимірювальний механізм (прилад) можна встановлювати в щитах і пультах. В залежності від типів приладу довжина капіляра складає від 16 до 25 м. При зміні температури контрольованого об'єкта змінюється обсяг робочої речовини в замкнутому об'ємі, що призводить до зміни тиску в цій системі. Тиск перетвориться манометричною трубкою 4 у переміщення стрілки 8 приладу.

По шкалі приладу визначають температуру об'єкта. Для захисту капіляра від механічних ушкоджень у приладі передбачений механічний захист, який виготовляється зі сталевої або мідної стрічки.

Термобалон виготовляють із латуні або сталі, манометричну трубку - із сталі або міді, внутрішній діаметр якої 0,2-0,5 мм. Дані прилади мають запізнювання показань у межах 40-80 с.

Основна похибка газових приладів складає ±1,5 %, парових ±2,5%. До найбільш поширених приладів даного типу відносяться: електроконтактні термометри ЕКТ і ТПГ-СК, в склад яких входять електроконтактні пристрої для сигналізації або автоматичного керування по мінімальному і максимальному значенню температури; термометричний сигналізатор ТС-100 - для виміру і сигналізації температури; манометричний термометр типу ТСГ - для виміру й автоматичного запису температури.

Перевагами манометричних термометрів є порівняльна простота конструкції і застосування, можливість дистанційного вимірювання температури і автоматичного запису показань, мала вартість, простота монтажу. До недоліків манометричних термометрів відносяться: відносно невисока точність вимірювання (клас точності 1.6; 2.5; 4.0 і рідше 1.0); невелика відстань дистанційної передачі показань (не більш 60 метрів) і труднощі ремонту при розгерметизації вимірювальної системи, інерційність, обмежений робочий тиск вимірювального середовища до 6,4 МПа (64 кгс/см²).

Манометричні термометри частіше застосовуються, у випадках, коли за умовами вибухо - або пожежонебезпечності не можна використовувати електричні методи дистанційного виміру температури.

Перевірка показань манометричних термометрів виконується тими ж методами і засобами, що і скляних рідинних.

Особливості ремонту

1. Термометр не реагує на зміну температури:

- замінити термосистему, відрегулювати термометр.

2. Покази термометра не відповідають дійсному значенню температури, але постійні:

- відрегулювати прилад по зразковому приладу.

3. Значні розходження в показах між прямим і зворотнім ходом:

- тертя в шарнірах тяги, або цапфах вісі трибки і сектора.

4. Термометр замість сигналів «мінімум» або «максимум» видає сигнал «норма» (для термометрів ТГП-ЗСГ, ТКП-ЗСГ):

- вийшов з ладу один з елементів електросхем або обрив одного з проводів, що йдуть від контакту «мінімум»,«максимум» або «норма».

5. Відсутні вихідні сигнали (для термометрів ТГП-ЗСГ, ТКП-ЗСГ):

- відсутнє живлення термометра від мережі.

4. Термоелектричні термометри і термометри опору

Для автоматичного контролю і керування температурними режимами технологічних процесів і дистанційної передачі результатів в якості датчиків застосовують термометри опору і термопари. Такі датчики не є самостійними приладами, а працюють тільки зі спеціальною групою вимірювальних приладів.

Термопара (термоелектричний термометр) представляє собою два різнорідні металеві провідники (термоелектроди), що призначені для вимірювання температури робочих об'єктів. Кінець термопари, що поміщається в об'єкт вимірювання температури, називається робочим або «гарячим» спаєм, вільні або «холодні» кінці термопари сполучені з вимірювальним приладом. Термопарою здійснюється перетворення теплової енергії в електричну.

Принцип роботи термопари полягає в тому, що при зміні температури гарячого спаю на вільних («холодних») кінцях термопари змінюється термоелектрорушійна сила (термо-е.р.с.) постійного струму. Відповідно до явища Зеебека, у замкнутому електричному колі, утвореного двома різнорідними провідниками, виникає термо-е.р.с., пропорційна різниці температур спаїв. Розмір термо-е.р.с. залежить тільки від температури «гарячого» і «холодного» спаїв і матеріалів, що утворюють термопару.

Утворення термо-е.р.с. у термопарі пояснюється тим, що при нагріванні електрои на «гарячому» спаї одержують більш високі швидкості, чим на «холодному», в результаті виникає потік електронів від «гарячого» кінця до «холодного». На «холодному» кінці накопичується негативний заряд, на «гарячому» - позитивний. Різниця цих потенціалів визначає термо-е.р.с. термопари.

Для технічних вимірів застосовують термопари: хромель-кропель (ТХК); хромель-алюмель (ТХА), платинородій (10% - родія) - платина (ТПП). Рідше використовують термопари мідь -копель, мідь -константант, залізо -копель.

Дані термопари використовуються при вимірюванні температури від -50 до +1800⁰С. Характеристики основних типів термоелектричних термометрів дані в табл. 3.

Таблиця 3

По стійкості до механічних дій термопари діляться на вібростійкі, ударосильні та звичайні; по інерційності - малоінерційні (0-1,5 хв.), середньо інерційні (1,5-2,5 хв.), високо інерційні (2,5-8 хв.).

Термометри опору застосовуються як датчики для вимірювання температури. По матеріалу чутливого елемента їх розділяють на термометри опору платинові - ТОП і термометри опору мідні - ТОМ.

Конструктивно термометр опору (рис. 2) виготовляється із намотаної платинової або мідної ізольованої проволоки 2 на ізоляційний каркас 1.

Рис. 2. Термометр опору

Для захисту від механічних ушкоджень та зручності монтажу термометри опору заключають в захисну арматуру різних модифікацій (рис. 3).

Рис. 3. Загальний вигляд датчиків температури - термометр опору: а - ТС-175. б - ТСП-972. в - ТСП-006З

Термометри опору бувають одинарні і подвійні. У подвійних термометрах опору вмонтовані два ізольовані один від одного чутливі елементи, які застосовуються для одночасного виміру температури однієї точки двома приладами. Мідь (як матеріал) має на відміну від платини ряд недоліків. Вона окислюється при високій температурі і вологості, має малий питомий опір.

Мідні і платинові термометри випускають із строго визначеними значеннями опорів, відповідно до своїх типів і градуйовок.

Найбільш поширеними перетворювачами температури є термометри опору: мідні ( з градуйовками 50М і 100М) і платинові ( з градуйовками 50П і 100П). Числа 50 і 100 позначають опір чутливого елемента при О^оС (50 Ом, 100 Ом), а букви М і П позначають матеріал обмотки термометра опору - відповідно мідь і платина.

При зміні температури опір термометрів визначають за наближеною формулою: R_t=R_o(1+бt), де R_t - опір термометра при температурі t^°С, R₀ - опір термометра при 0°С, б - температурний коефіцієнт (б_міді=4,3·10^-3).

Зміна електричного опору термометрів пов'язана з тим, що теплове коливання кристалічної решітки металу термометра опору (міді, платини) пропорційне температурі: чим вища температура, тим вище коливання решітки і ступінь рухливості вільних електронів, а отже, більший електричний опір. При дуже низьких температурах, близьких до температури «абсолютного нуля» (-273°С), теплові коливання кристалічної решітки і вільних електронів настільки мізерно малі, що електричний опір практично дорівнює нулю, тобто спостерігається явище надпровідності.

Технічні характеристики термометрів опору подані в таблиці:

Таблиця 4

Основними чинниками, що впливають на похибку вимірювання температури технологічних об'єктів, є: інерційність термодатчиків, невірне встановлення, порушення умов монтажу й експлуатації приладів.

Інерційністю термодатчиків можна знехтувати при малих швидкостях зміни температури об'єкта, проте при значних швидкостях зміни температури об'єкта інерційність термодатчиків необхідно враховувати, тому що в даному випадку виникає значна різниця в показаннях приладу і реальної температури об'єкта.

При використанні термодатчиків в агресивних середовищах і при високих тисках за рахунок захисних гільз значно зростає їхня теплова інерційність. Для зменшення інерційності зазор між датчиком і захисною гільзою по всій довжині заповнюють середовищем із великою теплопровідністю. При робочій температурі від 0 до 200°С використовують компресорне мастило типу КС-19, при температурі понад 200°С - чавунні або бронзові ошурки.

Як термометри опору, так і термопари можуть використовуватися при спеціальному виконанні в різноманітних важких умовах роботи: при високих вібраціях, великих тисках і в агресивних середовищах. У залежності від цих умов вибирається відповідна конструкція арматури, товщина і матеріал захисних чохлів.

Термометри опору по точності підрозділяють на три класи; по інерційності - малоінерційні (до 9с), середньо-інерційні(10-80с), високо-інерційні(до 4хв).

Відповідно до вимог автоматизації промислових технологічних установок датчики температур мають різноманітну монтажну (встановлювальну) довжину в інтервалі 60- 3200 мм.

Для вимірювання температури в комплекті з термоперетворювачами опору при температурі навколишнього повітря від 5 до 50° С і відносній вологості до 80 %, застосовуються логометри.

Основна похибка логометра не перевищує 1,5% від діапазону вимірювань.

Логометр представляє собою прилад магнітоелектричної системи з двома схрещеними під кутом рамками з опорою на кернах.

Характерні несправності і способи їх усунення.

1. При перевірці правильності показів стрілка логометра не встановлюється на контрольній точці.

а) перевірити і підігнати опір мережі.

б) перевірити і замінити логометр.

2. Стрілка логометра відхиляється вправо до упору.

Присутня наявність обриву проводу:

а) в мережі з'єднувальних проводів.

б) в термоперетворювачі опору.

в) в схемі внутрішніх з'єднань логометра.

г) в котушці для підгонки опору лінії.

3. Стрілка логометра не відхиляється, або відхиляється вліво.

Наявність коротке замикання.

а) в з'єднувальних проводах.

б) в термоперетворювачі опору.

в) в схемі внутрішніх з'єднань логометра.

г) відсутність живлення.

4. Нестійке положення стрілки логометра

Поганий контакт:

а) у місцях приєднання з'єднувальних проводів до термоперетворювача опора або до логометра

б) у схемі внутрішніх з'єднань логометра

Основні висновки

1. При вимірюванні температури об'єктів широко використовують датчики температури: термометри опору і термоелектричні перетворювачі температури (термопари).

2. Принцип дії даних датчиків заснований на різних фізичних явищах, тому їх не можна порівнювати (об'єднувати): при зміні температури об'єкта термометр опору змінює свій електричний опір, термопара змінює свою термо-е.р.с.

3. Зазначені типи датчиків самостійно не вимірюють і не реєструють показання температури, а використовуються тільки в комплекті з вимірювальним приладом.

5. Вторинні прилади для вимірювання температури

Термометри опору і термоелектричні перетворювачі температури мають різні вихідні фізичні величини (у перших - електричний опір, у інших - термо-е.р.с.). Для виміру температури об'єктів у комплекті з зазначеними датчиками використовують спеціальні прилади з однозначно вимірювальною фізичною величиною. Для вимірювання незначної напруги (е.р.с.) в межах 0-100мВ використовують мілівольтметри і потенціометри, шкали яких відградуйовані в градусах Цельсія. У комплекті з термометрами опору використовують прилади, що вимірюють електричний опір (омметри). До таких приладів відносяться логометри і мости, шкали яких відградуйовані в градусах Цельсія.

Мілівольтметр, використовують для виміру температури, він є приладом магнітоелектричної системи; має рівномірну шкалу, високу точність і чутливість.

Принцип вимірювання температури мілівольтметром полягає у вимірюванні термо-е.р.с., що розвивається термопарою. Під дією термо-е.р.с. термопари в колі виникає електричний струм, який, проходить через рамку приладу, утворює магнітне поле. Взаємодія цього поля з полемо постійного магніту утворить обертаючий момент М_вр рамки з вказівною стрілкою, пропорційний термо-е.р.с. Протидіючий момент М_пр створюється двома спіральними пружинами, що одночасно є струмопровідниками до рамки. У положенні рівноваги стрілки обертаючий момент врівноважується протидіючим моментом.

Найбільше поширені типи мілівольтметрів: МР1-02 із регулюючим пристроєм; МР-64-02 і Ш4501 із дводіапазонним регулюючим пристроєм. Мілівольтметр Ш4541 виміру температури різних об'єктів машинобудівної, металургійної, хімічної й іншої галузей народного господарства, він має вбудований пристрій сигналізації обриву кола термоелектричного перетворення з контактним вихідним сигналом і мають пристрій компенсації температурі вільних кінців термоелектричного перетворення.

Термопару до мілівольтметра підключають тільки компенсаційним проводом. Основна похибка мілівольтметрів у залежності від типу приладу складає ±1 і ±1,5%.

На підприємствах застосовується цілий ряд показуючих, самописних і регулюючих потенціометрів. Самописні потенціометри мають пристрій автоматичного запису показань, запис проводиться на круговій або стрічковій діаграмах. Привід діаграм здійснюється синхронним двигуном. В залежності від кількості датчиків, що підключаються до приладу, потенціометри бувають одноточкові і багато точкові. У одноточковому приладі запис на діаграмі здійснюється ручкою, в багато точкових - друкованою кареткою, що проставляє номера датчиків.

Рис. 4. Електронні регулюючі і самописні потенціометра а-КСП-3, б-ЕВП, в-КСП-4; 1-шкала, 2-стрілка, 3-діаграма.

До приладів, що показують і регулюють відносяться потенціометри типів ЕВП (рис. 4, б). У ЕВП встановлена обертова циліндрична шкала, прилад має коло автоматичної сигналізації і є регулюючим.

Автоматичні електронні потенціометри КСП, KBП (рис. 4,а,в) відносяться до найбільш поширених автоматичних показуючих самописних і регулюючих приладів з записом на стрічковій діаграмі. Прилади типу КСП відрізняються підвищеною надійністю в роботі, високою уніфікацією вузлів і блоків

Вторинні прилади, що працюють із термометрами опору, називаються мостами і логометрами. Елементарна вимірювальна схема мосту має чотири опори Rl, R2, R3 і Rх, що утворюють плечі моста. В одну діагональ підключається джерело живлення, в іншу - чутливий вимірювальний прилад. При виконанні рівності R1·R3=R2·Rх опір у вимірювальній діагоналі (показання гальванометра) дорівнює нулю. Це рівняння називається рівнянням балансу моста.

Для вимірювання температури у вибухонебезпечних зонах застосовується прилад Ш4547.Він може бути використаний на об'єктах металургійної і хімічної промисловості, а також в інших галузях народного господарства. Прилад Ш4547 передбачений для роботи з термоперетворювачами опору (С) типу 10П, 50П, 100П, 50М. 100М. Діапазони вимірювання складає від -200^ос до +650^о, основна похибка 1%.

Практичні мостові схеми мають різноманітні технічні рішення, проте принципово невідомий опір термометра опору Rx визначається по трьох відомих опорах плечей моста: Rх=(R1·R3)/R2. Існують різноманітні типи автоматичних мостів: показуючі, самописні і регулюючі. Найбільш поширені мости показуючі: ЕВМ2, МП4 і МПР4, самописні мости з записом на дискову діаграму ЕМД, ЕМ і МЕД, самописні мости з записом на стрічкову діаграму ЕМП, МС, МСР, КСМ.

Автоматичний самописний показуючий міст КСМ має напівпровідниковий підсилювач і відрізняється високою уніфікацією вузлів і блоків.

У технологічних вимірюваннях температури об'єктів широко застосовують логометри. Логометри, подібно мостам, працюють в комплекті з термометрами опору. Вимірювальний механізм логометра представляє собою прилад магнітоелектричної системи з рухомими рамками.

По конструкції логометри випускаються показуючі і самописні, із круглими і профільними шкалами. Найбільш поширеними приладами є логометри показуючі Л-64 і логометри регулюючі ЛР-64-02 і Ш-6900. Два останні типи мають дводіапазонний регулюючий пристрій, з метою сигналізації і позиційного регулювання.

Схема і робота регулюючої частини логометра ЛР-64-02 аналогічна розглянутій схемі мілівольтметра Ш-4501. Основна похибка приладу не перевищує ±1,5% від діапазону вимірювання. Прилад має можливість підключатися в схему вимірювання температури, по двох- і трьохпровідній схемі вмикання термометра опору.

Размещено на Allbest.ru