Лабки_метрология

При изменении температуры трубка изменяет свою длину, что приводит к перемещению в ней стержня, сохраняющего почти постоянные размеры и связанного посредством рычага 3 с указательной стрелкой прибора.

Пластинчатый термометр (рис. 2.4, б) состоит из двух изогнутых и спаянных между собой по краям металлических полосок, из которых полоска

1 имеет большой коэффициент линейного расширения, а полоска 2 – малый.

Полученная пластинка меняет в зависимости от температуры степень своего изгиба, величина которого при помощи тяги 3, рычага 4 и соединенной с ним стрелки указывается по шкале прибора. При увеличении температуры пластинка изгибается в сторону металла с меньшим коэффициентом линейного расширения.

2.3 М а н о м е т р и ч е с к и е т е р м о м е т р ы

Действие манометрических термометров (рис. 2.5) основано на зависимости давления жидкости, газа или пара с жидкостью в замкнутом объеме (термосистеме) от температуры.

Рис. 2.5. – Манометрический термометр: 1 – термобаллон; 2 –

капиллярная трубка; 3 – манометр, градуированный на температуру.

11

Указанные термометры являются промышленными показывающими и самопишущими приборами, предназначенными для измерения температуры в диапазоне до 600°С, к примеру, для определения температуры выхлопных газов.

В зависимости от заключенного в термосистеме рабочего вещества манометрические термометры разделяются на газовые, жидкостные и конденсационные. Выбор рабочего вещества производится исходя из заданного диапазона показаний и условий измерения.

Газовые манометрические термометры предназначены для измерения температуры от минус 200 до + 600°С. Как рабочее вещество в газовых термометрах применяется азот. Зависимость давления газа от температуры при постоянном объеме описывается линейным уравнением:

pt = p0 (1+βt),

где pt и p0 – давление газа при температурах t и 0°С соответственно;

β – температурный коэффициент расширения газа, β = 1/273, К-1.

По сравнению с ртутными термометрами существенными преимуществами манометрических термометров являются: автоматическая запись показаний, возможность установки прибора на некотором расстоянии от места измерения благодаря капилляру и большая механическая прочность.

К недостаткам их относятся: невысокая точность измерения, большая инерционность вследствие значительных размеров термобаллона, а также трудность ремонта при нарушении плотности термосистемы.

Манометрическим термометрам свойствен ряд погрешностей измерения. Кроме основной, вызываемой несовершенством работы пружины и передаточного механизма, эти приборы имеют также дополнительные погрешности: барометрическую, связанную с изменением атмосферного давления, температурную (у газовых и жидкостных термометров),

возникающую при колебаниях температуры окружающего воздуха, и

12

гидростатическую (у жидкостных и конденсационных термометров),

появляющуюся при установке термобаллона и пружины на разных высотах.

2.4 Э л е к т р и ч е с к и е т е р м о м е т р ы

2.4.1 Т е р м о э л е к т р и ч е с к и е т е р м о м е т р ы

Действие термоэлектрических термометров основано на свойстве металлов и сплавов создавать термоэлектродвижущую силу (термо-ЭДС),

зависящую от температуры места соединения (спая) концов двух разнородных проводников (термоэлектродов), образующих чувствительный элемент термометра – термопару. Термопара состоит из двух разнородных проводов (термоэлектродов), рабочие концы которых электрически соединены друг с другом, образуя так называемый горячий спай. Располагая законом изменения термо-ЭДС термометра от температуры и определяя значение термо-ЭДС электроизмерительным прибором, можно найти искомое значение температуры в месте измерения.

Таблица 2.2. – Некоторые характеристики измерителей температур

Термоэлектрический термометр, состоящий из двух спаянных и изолированных по длине термоэлектродов, защитного чехла и головки с зажимами для подключения соединительной линии, является первичным измерительным преобразователем.

13

В качестве вторичных приборов, работающих с термоэлектрическими термометрами, применяются магнитоэлектрические милливольтметры и потенциометры.

Рис. 2.6. – Принципиальные схемы измерения температуры:

а – термопара; б – гипертермопара; в – термометр сопротивления с платиновой проволокой; г – термометр сопротивления с термистором.

На морских судах наиболее распространены термопары для измерения температур газов по тракту котлов, для измерения температур уходящих газов ДВС и пр. Термоэлектрические термометры широко применяются в энергетических установках для измерения температуры перегретого пара,

дымовых газов, металла труб котлоагрегатов и т.п. Положительными свойствами их являются: большой диапазон измерения, высокая чувствительность, незначительная инерционность, отсутствие постороннего источника тока и легкость осуществления дистанционной передачи показаний.

2.4.2 Т е р м о м е т р ы с о п р о т и в л е н и я

Термометры сопротивления (рис. 2.7) из термически обработанных смесей окислов меди, марганца, магния, никеля, кобальта и окислов других

14

металлов, обладающих свойствами полупроводников, как правило,

изготавливают путем специального намотки тонкой проволоки на каркас из изоляционного материала. Для предохранения от повреждения провод вместе с каркасом помещают в защитную оболочку.

Материалы, применяемые для изготовления технических термометров сопротивления, должны соответствовать тем же обязательным требованиям,

предъявляемым к материалам, идущим на изготовление термоэлектрических термометров. Во-первых, это требования стабильности градуировочной характеристики и, во-вторых, требование воспроизводимости.

Рис. 2.7. – Устройство термометра сопротивления

Принцип действия термометров сопротивления заключается в способности различных материалов (в первую очередь металлов) изменять свой электрическое сопротивление с изменением температуры. Параметр,

характеризующий изменение электрического сопротивления с температурой,

называют температурным коэффициентом электрического сопротивления.

Для материалов, у которых коэффициент не зависит от температуры,

он может быть определен следующим образом:

α = (Rt – R0) / (R0t),

15

где Rt и R0 — сопротивления при температуре t и 0 °С соответственно.

Температурный коэффициент α выражается в °С-1 или К-1. Для большинства чистых металлов температурный коэффициент изменяется в пределах 0,035 – 0,0065К-1. В сплавов этот коэффициент существенно меньше и в некоторых случаях приближается к нулю (для манганин составляет 2·10-5К-1). Для полупроводниковых материалов температурный коэффициент отрицательный и на порядок больше, чем у металлов

(0,01 – 0,15К-1).

2.5 П и р о м е т р ы

Все рассмотренные выше термометры для измерения температуры

(термометры расширения, термоэлектрические и сопротивления)

предусматривают непосредственный контакт между чувствительным элементом термометра и измеряемым телом или средой. Поэтому такие методы измерения температуры иногда называют контактными. Верхняя граница применения контактных методов ограничивается значениями

1800 – 2200˚C. Однако в ряде случаев в промышленности и при исследованиях возникает необходимость измерять более высокие температуры. Кроме того, часто недопустимо непосредственный контакт термометра с измеряемым телом или средой. В этих случаях применяются бесконтактные средства измерения температуры, которые измеряют температуру тела или среды по тепловому излучению. Такие средства измерения называются пирометрами. Пирометры, серийно выпускаемых,

применяются для измерения температур от 20 до 6000°C.

Принципиальная схема пирометра представлена на рис. 2.8 .

Тепловой луч, сфокусированный оптической системой, падает на датчик (первичный пирометрический преобразователь), в результате на выходе образуется электрический сигнал, пропорциональный значению

16

температуры объекта измерения. Этот сигнал проходит через электронный преобразователь (вторичный пирометрический преобразователь), попадает в измерительно-счетное устройство и обрабатывается в нем. Результат отображается на дисплее (индикация у современных пирометров, как правило, цифровая).

Рис. 2.8. – Принципиальная схема оптического пирометра:

1 – объект измерения; 2 – тепловое излучение; 3 – оптическая система; 4 –

зеркало; 5 – видоискатель; 6 – ось видоискателя; 7 – измерительно-счетное устройство; 8 – корпус; 9 – электронный преобразователь; 10 – кнопка; 11 –

датчик.

Чтобы получить точное значение температуры объекта, пользователю нужно лишь включить прибор, навести его на объект измерения и нажать на кнопку. На сегодняшний день этот метод бесконтактного измерения температуры является одним из самых простых и недорогих. Измерения можно проводить практически на любом расстоянии, дальность действия современных пирометров ограничивается только площадью измеряемого пятна и прозрачностью среды.

К основным техническим характеристикам пирометров относят:

17

оптическое разрешение (от 2 до 600 : 1);

диапазон измеряемых температур (max от минус 50°C до 4000°C);

измеряемое разрешение 0,1°C;

точность измерения (оптимальная ± 1,5%);

быстродействие (у современных очень высокое – менее 1 секунды);

коэффициент излучения – переменный либо фиксированный;

способ нацеливания – оптический либо лазерный прицел.

Пирометры излучения могут применяться без ограничений при измерении температуры твердых тел и жидких сред, имеющих непрерывный спектр излучения. Эти методы могут быть использованы и для измерения температуры газов, имеющих линейный или полосовой спектр излучения.

Бесконтактные методы измерения теоретически не имеют верхнего предела измерения и возможности их использования определяются соответствием спектров излучения измеряемых тел или сред и спектральных характеристик пирометров. Бесконтактный инфракрасный измеритель температуры, обладающий малой инерционной способностью, позволяет проводить оперативный контроль, в том числе труднодоступных и вращающихся поверхностей, деталей электрооборудования, находящихся под напряжением. Место и условия применения: поверхности элементов дизелей; турбин; поршневых компрессоров; генераторов; электродвигателей;

насосов; теплообменников.

Преимущества и недостатки методов измерения температуры тел по излучению:

1)Все методы измерения не требуют непосредственного контакта с измеряе-

мой средой, они могут измерять температуру на расстоянии бесконтактным способом и потому не искажают температурного поля объекта измерения.

2)Верхняя граница измерения пирометрами излучения не ограничена.

3)Все методы очень чувствительны.

Лабораторная работа 2

18

Приборы для измерения давления

Цель работы: изучение конструкций и принципов действия приборов

для измерения давления.

1 Определение понятия «давление», единицы измерения давления и

соотношение между ними

Давление является одним из важнейших параметров химико-

технологических процессов. От величины давления часто зависит правильность протекания процесса химического производства.

Величина единицы давления зависит от выбранной системы единиц

(табл. 1.1).

Таблица 1.1. – Соотношение между единицами давления

19

Различают абсолютное и избыточное давление. Абсолютное давление ра — параметр состояния вещества (жидкостей, газов и паров). Избыточное давление ри представляет собой разность между абсолютным давлением ра и

барометрическим давлением рб (т.е. давлением окружающей среды):

ри = ра — рб.

Если абсолютное давление ниже барометрического, то:

рв = рб — ра, где рв — разрежение.

2 Классификация приборов для измерения давления

По виду упругого чувствительного элемента приборы для измерения давления делятся на следующие группы:

1). Приборы с трубчатой пружиной (рис. 2.1 а, б); 2). Мембранные приборы, у которых упругим элементом служит мембрана

(рис. 2.1, в), анероидная или мембранная коробка (рис. 2.1 г, д), блок анероидных или мембранных коробок (рис. 2.1 е, ж);

3). Пружинно-мембранные приборы с гибкой мембраной (рис. 2.1, з); 4). Пружинно-сильфонные приборы (рис. 2.1, и);

5). Приборы с упругой гармониковой мембраной (сильфоном) (рис. 2.1, к).

Рис. 2.1. –

Типы пружин-

ных

устройств

20