Вопросы
Принципы и приборы измерения температуры
Принципы и приборы измерения давления
Химические газоанализаторы Переносной химический газоанализатор ГПХ-3
Принцип действия термокондуктометрических газоанализаторов
Принцип действия диффузионных газоанализаторов ( мембранного и автоматического )
Принцип действия магнитных газоанализаторов (Термомагнитный газоанализатор)
Принцип действия сорбционных газоанализаторов
Принцип действия оптических газоанализаторов (ОА-2209)
Принцип действия газоадсорбционного хроматографа
Принцип действия пламенного ионизационного и пламенного фотометрического газоанализаторов
Принцип действия хемилюминесцентного газоанализатора
Сущность и способы рефрактометрического анализа
Принцип действия фотоэлектрических колориметров
Принцип действия электролизных анализаторов (гальванических)
Принцип действия электролизных анализаторов (деполяризационного и кулонометрического)
Принцип действия потенциометрических анализаторов
Принцип действия масс-спектрометрического детектора
Принцип отбора проб и основные методы анализа состава атмосферного воздуха
Принцип отбора проб и основные методы анализа состава воды
Принцип отбора проб и основные методы анализа состава почв
Системы автоматического контроля загрязнений окружающей среды
1 . Приборы и преобразователи для измерения температуры
В устройствах для измерения температуры обычно используют изменение какого-либо физического свойства тела, однозначно зависящего от его температуры и легко поддающегося измерению. К числу свойств, положенных в основу работы приборов и преобразователей для измерения температуры, относятся объемное расширение тел, изменение давления вещества в замкнутом объеме, возникновение термоэлектродвижущей силы, изменение электрического сопротивления проводников и полупроводников, интенсивность излучения нагретых тел и др.
Температурные шкалы. При измерении температуры используют две шкалы: термодинамическую, основанную на втором законе термодинамики, и Международную практическую (МПТШ—68).
На термодинамической шкале температуру обозначают символом Т и выражают в Кельвинах (К). Единицей измерения температуры (t) в Международной практической шкале служит градус Цельсия (°С), 1 °С=1 К.
Количественно температуры в термодинамической и Международной практической шкалах связаны соотношением
Т(К)=t(°С) + 273,15
Температуру измеряют двумя основными способами — контактным и бесконтактным.
Контактный способ. Основан на прямом контакте измерительного преобразователя температуры с исследуемым объектом.
При измерении температуры этим способом добиваются состояния теплового равновесия преобразователя и объекта. Контактный способ широко применяют при проведении научно-исследовательских работ и в промышленности, так как при этом способе обеспечиваются высокая точность и надежность измерений, возможность передачи показаний на расстояние и др. Однако ему присущи и некоторые недостатки. Температурное поле объекта искажается при введении в него термоприемника; верхний предел измерения температуры ограничен свойствами материалов, из которых изготовлены температурные датчики; ряд задач измерения температуры объектов, которые недоступны для размещения чувствительных элементов, или узлов объектов, движущихся с большой скоростью, также не может быть решен контактным способом.
Бесконтактный способ. Основан на восприятии тепловой энергии, передаваемой лучеиспусканием и воспринимаемой на расстоянии от исследуемого объекта. Теоретически верхний предел измерения этим способом неограничен, однако бесконтактный способ менее точен, чем контактный.
Для измерения температуры бесконтактным способом применяют пирометры излучения. Последние основаны на изменении интенсивности теплового излучения нагретых тел при изменении температуры. К пирометрам излучения относятся пирометры частичного излучения (оптические), рассчитанные на пределы от 400 до 5000 °С, пирометры полного излучения с пределами 100—2500 °С и пирометры спектрального отношения (цветовые) с пределами 500—2800°С. При измерении температуры пирометрами частичного и полного излучения необходимо вводить поправку на степень черноты тела, температура которого измеряется. Пирометры излучения применяют, как правило, для определения температуры тел, нагретых до видимого свечения. Погрешности пирометров излучения составляют 0,5—2%.
В зависимости от физических свойств, на которых основано действие термометров при контактном способе измерения, различают: термометры расширения, манометрические термометры, преобразователи термоэлектрические и термопреобразователи сопротивления.
Термометры расширения. Построены на принципе изменения объема жидкости (жидкостные) или линейных размеров твердых тел (деформационные) при изменении температуры.
Действие жидкостных стеклянных термометров основано на различии коэффициентов теплового расширения термометрического вещества (ртуть, спирт или другие органические жидкости) и оболочки, в которых оно находится (термометрическое стекло или кварц). Такие термометры, как правило, используются в промышленности и в лабораторной практике для местных измерений температуры в пределах от —200 до 600 °С с высокой точностью. Цена деления, например, образцовых стеклянных термометров с узким диапазоном шкалы может составлять 0,01 °С.
Основные достоинства жидкостных стеклянных термометров—простота и высокая точность измерения; недостатки—невозможность, регистрации и передачи показаний на расстояние, значительная тепловая инерция, невозможность ремонта.
Работа деформационных термометров основана на различии коэффициентов линейного расширения твердых тел, из которых выполнены чувствительные элементы этих термометров. На рис. 13 показан трубчатый дилатометрический (биметаллический) термометр. Он состоит из трубки 1, изготовленной из металла с большим коэффициентом линейного расширения (латуни, 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 ли крышке сосуда, температуру внутри которого надо измерить; при этом трубка должна быть целиком погружена в измеряемую среду. При повышении температуры трубка 1 длиняется значительно больше, чем стержень 2, вследствие чего толкатель 13, опирающийся на стержень 2, перемещается вниз. Это перемещение системой рычагов 5—8 передается стрелке 10, которая указывает на шкале температуру в градусах.
Другой вид биметаллического термометра схематически показан на рис. 14. Он состоит из дугообразной изогнутой пластинки, изготовленной из двух пластин 1 и 2 из различных металлов (например, меди и инвара) с различными коэффициентами линейного расширения, приваренных одна к другой по всей длине. Обычно внутренняя пластина 2 изготовляется из металла с большим коэффициентом линейного расширения. При повышении температуры пластинка разгибается. Деформация пластинки с помощью тяги 3, зубчатого сектора 4 и зубчатого колеса 5 передается стрелке 6.
Верхний предел измерения при использовании биметаллической пластинки ограничивается пределом упругости материала. В качестве чувствительного элемента применяют также плоские и винтовые спирали. Пределы измерения биметаллическими термометрами от — 150 до +700° С, погрешность 1—1,5%,
Рис. 13. Трубчатый биметаллический термометр:
1 — трубка термометра; 2— внутренний стержень; 3 — пробка; 4—головка; 5—рычаг; 5—ось рычага; 7—пружина; 8 — промежуточный передаточный рычаг; 9—ось стрелки;10 — стрелка; 11 — шкала; 12 — ниппель;13— толкатель
Рис. 14. Схема биметаллического термометра с дугообразной пластиной:
1 и 2 — пластины; 3 — тяга; 4 — зубчатый сектор; 5 — зубчатое колесо; 6 — стрелка
Манометрические термометры. Основаны на изменении давления газа, жидкости или парожидкостной смеси, находящихся в замкнутом объеме, при изменении температуры. Манометрический термометр (рис. 1.2) состоит из термобаллона 1, капиллярной трубки 2 и манометра 3. Термобаллон 1 погружается в среду с измеряемой температурой. При изменении температуры изменяется давление рабочего вещества. По капилляру это давление передается на трубчатую манометрическую пружину, от которой через передаточный механизм приводится в действие стрелка или перо прибора.
Рис 1.2. Манометрический термометр
В зависимости от вида рабочего (термометрического) вещества, заполняющего термосистему, манометрические термометры делятся на газовые, жидкостные и конденсационные.
В газовых манометрических термометрах ТГП-100 в качестве рабочего вещества используется обычно азот. Длина капиллярной трубки составляет 1,6—40 м, размеры термобаллона: диаметр 12—20 мм, длина 25—500 мм. Пределы измерения от —200 до 600 °С. Шкала приборов равномерная.
В жидкостных манометрических термометрах ТЖП-100 термосистема заполнена силиконовыми жидкостями. Вследствие возможности возникновения дополнительной температурной погрешности длина капилляра этих термометров меньше, чем газовых и составляет 0,6—10 м. Размеры термобаллона: диаметр 12—16 мм, длина 80—400 мм. Пределы измерения от —50 до 300 °С. Шкала равномерная.
В конденсационных манометрических термометрах ТКП-100 рабочим веществом являются низкокипящие органические жидкости (ацетон, фреон, хлористый метил и др.). Термобаллон конденсационных термометров на 2/з заполнен рабочей жидкостью, над которой находится образующийся из нее насыщенный пар. Длина капилляра достигает 25 м. Размеры термобаллона: диаметр 16 мм, длина 125—400 мм. Пределы измерения от —25 до 300 0С. Конденсационные термометры имеют неравномерную (сжатую в начале) шкалу, что обусловлено нелинейной зависимостью давления насыщенного пара от его температуры. Манометрические термометры имеют основную погрешность измерения, вызываемую несовершенством работы трубчатой пружины и отсчетного устройства, и ряд дополнительных погрешностей. Источниками дополнительных погрешностей в этих термометрах являются: изменение атмосферного давления (барометрическая погрешность); влияние температуры окружающей среды на капиллярную трубку и манометрическую пружину (температурная погрешность); воздействие гидростатического давления столбов жидкости на манометрическую пружину при установке термобаллона и манометрической пружины не на одной высоте (гидростатическая погрешность).
Термопреобразователи сопротивления (ТС). Измерение температуры ТС основано на изменении электрического сопротивления проводников или полупроводников с изменением температуры. Зная эту зависимость, можно по значению сопротивления определить температуру среды, в которую помещен ТС. При увеличении температуры сопротивление ряда чистых металлов возрастает, а полупроводников снижается.
Чувствительные элементы ТС представляют собой тонкую медную или платиновую проволоку, намотанную бифилярно на специальный слюдяной, фарфоровый или пластмассовый каркас. Для предохранения от внешних воздействий чувствительные элементы ТС заключают в металлическую трубку с литой головкой, в которой смонтированы выводы концов обмотки для их подключения к соединительным проводам (рис. 1.7).
Термопреобразователи сопротивления изготавливают следующих типов: ТС медные (ТСМ) на пределы от —50 до200°С; ТС платиновые (ТСП) на пределы от —200 до 600°С.