Приборы для измерения температуры

КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

Приборы для измерения температуры

Разработал : мастер п/о филиала №4 ФКПОУ №57 /Найкин Ю. И./

• Температура является мерой теплового состояния вещества, т. е. степенью его нагрева.

• Измерить температуру любого тела непосредственно, т. е. так, как измеряют такие физические величины, как, например, длина, масса, объем, не представляется возможным — в природе не существует эталона или образца единицы этой величины. Определение температуры вещества проводят путем сравнения посредством наблюдения за изменением физических свойств другого, так называемого термометрического вещества, которое при соприкосновении с нагретым телом вступает с ним через некоторое время в тепловое равновесие.
• Такой метод не дает абсолютного значения температуры нагретой среды, а указывает лишь разность температур относительно исходной температуры термометрического вещества, условно принятой за нуль.
• При изменении в процессе нагревания внутренней энергии вещества меняются практически все его физические свойства, но для измерения температуры выбираются те из них, которые однозначно меняются с изменением температуры, не подвержены влиянию других факторов, сравнительно легко поддаются точному измерению. Этим требованиям наиболее полно соответствуют такие свойства рабочих веществ, как объемное расширение, изменение давления в замкнутом объеме, изменение электрического сопротивления, возникновение термоэлектродвижущей силы и интенсивность излучения. Именно эти свойства и положены в основу устройства приборов для измерения температуры.

• Термометры расширения. Работа термометров расширения основана на свойстве тел изменять объем, а следовательно, и линейные размеры в результате изменения температуры.
• В жидкостных стеклянных термометрах в качестве рабочего вещества применяют ртуть и органические жидкости — этиловый спирт, толуол, пентан и др.
• Наиболее широкое распространение получили ртутные стеклянные термометры. При нормальном абсолютном давлении ртуть находится в жидком состоянии при температурах от -39 (точка замерзания) до +357 °С (точка кипения). Стеклянные термометры с органическими заполнителями пригодны для измерения температур в пределах -190...+ 100°С.

Рис. 1. Типы ртутных термометров:

а — технический с вложенной шкалой; б — лабораторный палочный с безнулевой шкалой; 1 — пробка, залитая гипсом; 2— оболочка; 3 — шкала; 4 — капилляр; 5 — нижняя часть термометра; 6 — резервуар;

7 , 8 — расширения капилляра; 9 — дополнительная шкала.

Рис. 2. Варианты установки ртутного термометра в защитной гильзе:

а — вдоль оси трубопровода; б — наклонно к оси горизонтального трубопровода; в — нормально к оси горизонтального трубопровода; г — на вертикальном трубопроводе; D — диаметр трубопровода.

Изготовляют два типа ртутных стеклянных термометров (рис.1): с вложенной шкалой и палочные. Термометр технический с вложенной шкалой имеет заполненный ртутью резервуар 6 , капилляр 4, шкалу 3, выполненную из стеклянной пластинки молочного цвета, и наружную цилиндрическую оболочку 2, в которой укреплены капилляр и шкала.

Лабораторный палочный термометр состоит из резервуара 6 , соединенного с толстостенным капилляром 4, имеющим наружный диаметр 6... 8 мм. Шкала термометра нанесена непосредственно на наружной поверхности капилляра в виде насечки по стеклу. Применяются два способа установки ртутных термометров: в защитных гильзах и без них, т.е. путем непосредственного погружения термометра в измеряемую среду. Наиболее распространенным способом является установка термометра в защитной гильзе (рис. 2), предохраняющей его от поломки.

• Манометрические термометры. Действие манометрических термометров основано на изменении давления жидкости, газа или пара в замкнутом объеме в зависимости от температуры. Указанные термометры являются техническими показывающими или самопишущими приборами и предназначаются для измерения температуры в пределах от -150 до +600°С. Класс точности их 1—2,5.
• Схема манометрического термометра показана на рис. 3. Замкнутая система прибора, заполненная рабочим веществом, состоит из термобаллона 5 , погружаемого в измеряемую среду, трубчатой (манометрической) пружины 2 , воздействующей посредством тяги 1 на стрелку или перо прибора, и капиллярной трубки 3, соединяющей пружину с термобаллоном.
• Термобаллон выполняется из стальной или латунной трубки, с одного конца закрытой, а с другого соединенной с капилляром посредством объемного штуцера 4 с сальниковым уплотнением и резьбой. Термобаллон устанавливается в трубопроводах, баках и т. п.
• При нагреве термобаллона увеличение в нем давления рабочего вещества передается через капилляр трубчатой пружине и вызывает ее перемещение. Соединительный капилляр изготовляется из медной или стальной трубки с внутренним диаметром 0,2...0,4 мм и толщиной стенки 0,5...2 мм. Снаружи капилляр защищен металлической оплеткой. Длина капилляра достигает 60 м.
• Газовые манометрические термометры заполняются азотом. Для заполнения жидкостных манометрических термометров применяют ртуть, ксилол, толуол при начальном давлении 1,5...2 МПа (15...20 кгс/см 2 ).
• В парожидкостных манометрических термометрах рабочим веществом служат низкокипящие органические жидкости: хлористый метил, ацетон, бензол и др.

Рис. 3. Схема манометрического

термометра:

1 — тяга; 2 — трубчатая пружина;

3 — капиллярная трубка;

4 — штуцер с сальниковым уплотнением; 5 — термобаллон

• Термометры сопротивления. Для измерения температуры широкое применение получили термометры сопротивления, основанные на изменении электрического сопротивления металлических проводников в зависимости от температуры. Электрическое сопротивление металлов при нагревании растет, следовательно, зная зависимость сопротивления проводника от температуры и определяя это сопротивление при помощи электроизмерительного прибора, можно судить о величине температуры проводника.
• Термометры сопротивления применяются дня измерения температуры в диапазоне от -260 до +750 °С (в отдельных случаях до 1000 °С).
• Достоинствами термометров сопротивления являются высокая точность измерения, легкость осуществления автоматической записи и дистанционной передачи показателей, возможность присоединения к одному вторичному прибору при помощи переключателя нескольких однотипных термометров.
• Термометр сопротивления выполняется из тонкой металлической проволоки, намотанной на каркас из электроизоляционного материала (слюды, кварца, пластмассы) и помещенной в металлический защитный чехол с головкой для подключения соединительных проводов.
• В качестве вторичных приборов, работающих с термометрами сопротивления, применяются уравновешенные и неуравновешенные измерительные мосты и логометры.
• Стандартные технические термометры сопротивления имеют следующие условные обозначения: платиновые — ТСП, медные — ТСМ.
• Устройство платинового термометра сопротивления приведено на рис. 4. На каркасе из слюдяной пластинки 5 , имеющей по бокам зубчатую насечку, намотана платиновая проволока 4 диаметром 0,07 мм и длиной около 2 м. К концам платиновой обмотки припаяны два вывода 1 из серебряной проволоки диаметром 1 мм, присоединенные к латунным зажимам в головке 9 термометра. Слюдяная пластинка с обмоткой изолирована с двух сторон более широкими слюдяными накладками 2 и связана с ними в общий пакет серебряной лентой 3.
• Образованный таким образом чувствительный элемент термометра вставлен в плоский алюминиевый вкладыш и вместе с ним заключен в трубчатую оболочку 7 из алюминия. Серебряные выводы изолированы фарфоровыми бусами 6 . Оболочка с чувствительным элементом помещена в стальной защитный чехол 11 с приваренным к нему штуцером 10 , предназначенным для установки термометра в трубопроводах и резервуарах. В верхней части защитного чехла закреплена алюминиевая головка 9 , внутри которой помещен бакелитовый вкладыш с двумя зажимами для присоединения внешних соединительных проводов.

Рис. 4. Платиновый термометр сопротивления типа ТСП 1:

а — чувствительный элемент;

б — внутренняя арматура;

в — защитная арматура;

1 — выводы; 2 — накладки;

3 — серебряная лента; 4 — платиновая проволока; 5 — каркас из слюдяной пластинки; 6— фарфоровые бусы;

7— оболочка; 8 — вкладыш;

9 — головка; 10 — штуцер;

11 — защитный чехол.

Термоэлектрические пирометры. Действие термоэлектрических пирометров заключается в том, что в замкнутом контуре, состоящем из двух разнородных проводников, образующих так называемую термопару, непрерывно течет электрический ток, если места спаев этих проводников имеют разную температуру.

Термоэлектрический пирометр (рис. 5) состоит из термопары (термоэлектроды А и В) и подключенного к ней соединительными проводами С вторичного электроизмерительного прибора ЭП. Величина термоэлектродвижущей силы (ТЭДС), развиваемой термопарой, зависит от материала термоэлектродов, а также от температуры рабочего 3 и свободных 1 , 2 концов термопары.

В качестве термоэлектродных материалов для изготовления термопар применяются, главным образом, чистые металлы и их сплавы, которые должны удовлетворять следующим требованиям:

• обеспечение при измерениях сравнительно больших ТЭДС;
• постоянство термоэлектрических свойств независимо от изменения со временем внутренней структуры и загрязнения поверхности;
• устойчивость против действия высоких температур, окисления;
• хорошая электропроводность;
• однозначная и по возможности линейная зависимость ТЭДС от температуры;
• однородность и постоянство состава материала термоэлектродов для обеспечения взаимозаменяемости термопар.

Таблица 1

Пределы измерения температур термопарами

Наибольшее распространение для промышленных термопар получили материалы: платина, платинородий, хромель, алюмель, копель.

В табл. 1 приведены некоторые характеристики наиболее распространенных термопар. Термопары из драгоценных металлов и сплавов ТПП и ТПР применяются главным образом для измерения высокой температуры (выше 1000 °С), так как они обладают большой термостойкостью. Термопары ТХА и ТХК применяют для измерения температуры до 1000°С. Эти термопары развивают значительные ТЭДС, что является большим их достоинством.

Наименование термопары

Платинородий-платино- вая (10 % родия)

Тип

Платинородиевая(30 и 6% родия)

Градуировка

ТПП

Хромель-алюмелевая

Пределы измерения температур при длительном измерении, °С

ТПР

ПП-1

Хромель-копелевая

ПР-30/6

-20...+1300

ТХА

ХА

ТХК

+300... 1600

-50...+ 1000

ХК

-50...+600

Рис. 5. Схема термоэлектрического пирометра:

1,2 — свободные (холодные) концы термопары;

3 — рабочий конец термопары (горячий спай);

А, В — термоэлектроды; С — соединительные провода;

ЭП — вторичный электроизмерительный прибор; t 0 — температура холодных концов термопары; t — температура горячего спая.

Рис. 6. Рабочие концы термопар:

а , б — термоэлектроды, соединенные сваркой;

в — термоэлектроды, приваренные к дну защитного чехла.

Рис. 7. Общий вид термопары:

1 — крышка; 2— сальник с уплотнением для вывода проводов;

3 — зажимы; 4 — колодка; 5 — защитный чехол; 6 — подвижной фланец; 7 - рабочий конец термопары; 8 — фарфоровый стаканчик; 9 — фарфоровые бусы; 10 — корпус головки; 11, 12 — винты.

Термоэлектроды термопар из драгоценных металлов изготовляются обычно из проволоки диаметром 0,5 мм, а в случае недрагоценных металлов диаметр проволоки 1,2...3,2 мм.

Рабочий конец термометра из таких термоэлектродов образуется сваркой двух концов (рис. 6), а из толстых — их скруткой и сваркой. Иногда для улучшения условий теплопередачи рабочий конец термопары из недрагоценных металлов приваривается ко дну защитного металлического чехла.

  Термоэлектроды термопары от спая до зажимов тщательно изолируются. В качестве изоляции применяются одно- и двухканальные фарфоровые трубки или бусы, надеваемые на термоэлектроды.

Общий вид термопары приведен на рис. 7. Термопара имеет стальной защитный чехол 5 , на который насажен подвижный фланец 6 со стопорным винтом, служащим для ее закрепления. Рабочий конец термопары 7 помещен в фарфоровый стаканчик 8. Оба термоэлектрода изолированы по длине фарфоровыми бусами 9. Головка состоит из литого корпуса 10 , крышки 1 и сальника 2 с уплотнением для вывода проводов. Внутри головки расположена колодка 4 с двумя зажимами 3, несущими на себе две пары винтов 11 и 12 для закрепления термопроводов и соединительных проводов.

В качестве электроизмерительных приборов в термоэлектрических пирометрах применяются пирометрические милливольтметры и потенциометры.