Средства измерения основных параметров
В ходе теплоэнергетических процессов требуется получать информацию о различных параметрах, характеризующих функционирование тех или иных объектов. Рассмотрим методику и основные датчики для измерения и таких параметров, как температура, влажность, давление, расход, количество теплоты.
Датчики температуры
Датчики с механическими выходными величинами. Жидкостные термометры стеклянные в основном используют как показывающие приборы местного действия при интервале температур от –200 до +750 С. Термометрическими жидкостями являются ртуть, толуол, этиловый спирт, керосин, эфир, ацетон, пентан и т.д. В качестве датчиков применяют главным образом ртутные термометры с преобразованием механического перемещения в электрический сигнал – электроконтактные термометры, ртуть используют в качестве подвижного контакта. Вторым контактом может быть вольфрамовая нить, впаянная или опускаемая в капилляр термометра (рис. 56а и 56б). Сила электрического тока, проходящего через контакты, не должна превышать 0,5 мА при напряжении не более 0,3 В.
В манометрических термометрах используется объемное расширение рабочего вещества в герметичной термосистеме, состоящей из термобаллона (жезла) 3, капилляра 2 и манометрического преобразователя 1 – трубчатой пружины, сильфона и т.п. (рис. 57). В зависимости от свойств заполнителя эти термометры разделяются на газовые (азот), конденсационные или парожидкостные (ацетон, хладон-22, хлорметил, пропилен) и жидкостные (метанксилол, керосин, силиконовые жидкости и т.п.). Пределы измерения приборов составляют: –150…+600 С; -50…+300 С; -150…+300 С при соответственной длине капилляров 60, 25, 10 м. К этой группе можно отнести датчики с твердым и упругим заполнителями – пастами на основе воска, церезином и рядом других специальных материалов. Например, сильфонные датчики с такими заполнителями широко используются в комнатных терморегуляторах (см. рис. 55).
Принцип действия биметаллических и дилатометрических датчиков основан на эффекте совместного линейного расширения двух разнородных соединенных вместе металлов. В качестве одного (пассивного) металла обычно используют инвар (36 % Ni + 64 % Fe), другого (активного) – латунь, медь, сталь, хромомолибден. Их коэффициенты линейного расширения отличаются примерно в 20 раз. Слои термобиметаллической тонколистовой двухслойной ленты соединяются контактной сваркой. Из ленты делают пластины (рис. 58,а), плоские и пространственные спирали (рис. 58,б), которые с увеличением температуры деформируются: загибаются или закручиваются в сторону материала с меньшим коэффициентом линейного расширения .
Дилатометрические термометры представляют собой термосистему – стержень (пассивный материал) П и трубку (активный) А с продольным линейным перемещением относительно друг друга (рис. 58,в). Оба вида термометров применяются очень широко, особенно биметаллические, в диапазоне температур 0…400 С, а некоторые и до 1000 С (например, дилатометры инвар – латунь Л62).
Датчики с электрическими выходными величинами. В основе принципа действия термоэлектрических термометров (термопар) лежит эффект Зеебека, открывшего механизм возникновения термоЭДС в цепи, составленной из двух различных проводников, например меди и платины, места соединений которых (сваркой, пайкой или скручиванием) имеют разную температуру То и Т1. Чем больше разность Т1 – То, тем больше термоЭДС, но функциональная зависимость е (То, Т1) = f (Т1) - f (То) является неопределенной. Поэтому одну температуру принимают постоянной, термостатируя один из спаев, например, при То = const. Термостатируемый спай называют свободным или холодным, спай, помещаемый в измеряемую среду, – рабочим или горячим. Положительным считают электрод, по которому ток течет от рабочего спая к свободному. Диаметр проволоки электродов из драгоценных металлов и сплавов составляет 0,5 мм, прочих – 1,2…3,2 мм. Конструкция стандартного термоэлектрического термометра состоит из электродов с изоляцией из фарфоровых трубок или бус, помещенных в защитный трубчатый чехол (стальной, керамический, кварцевый) с головкой, имеющей электрозажимы. Рабочий спай может быть приварен или припаян к чехлу для лучшего теплового контакта и уменьшения инерционности.
Электроизмерительный прибор может быть присоединен к свободному концу термопары (рис. 59,а) или к термоэлектроду (рис. 59,б). Включение соединительного проводника (показан пунктиром) не сказывается на термоЭДС, если точки соединения 1 и 2 имеют одинаковую температуру. Обычно термоЭДС сравнительно невелика и даже при измерении высоких температур не превышает 70 мВ.
В терморезисторах (термометрах сопротивления) используется известное явление изменения электрического сопротивления проводника или полупроводника с изменением температуры. При этом характер изменения сопротивления у проволочных терморезисторов подчиняется закономерности R = Ro (1 + a + b 2) для платины и R = Ro (1 + ) для чистой меди, где Ro – сопротивление при 20 С; a, b, – постоянные, С-1.
Обычно Ro стандартизовано: для меди – 53 и 100 Ом, для платины – 10, 46 и 100 Ом.
Полупроводниковые терморезисторы, или термисторы (смеси окислов некоторых металлов, например MnO2, Cu2O3, Fe2O3, NiO, VO2, спрессованные при высокой температуре), уменьшают свое сопротивление при повышении температуры.
Полупроводниковые терморезисторы по внешнему виду ничем не отличаются от обычных стандартных резисторов, применяемых в электрорадиотехнике. В качестве датчиков температуры используются также полупроводниковые термодиоды Д7А-Д7Ж, термотранзисторы МП40, П14, Д237Г, варисторы, тиристоры, семисторы, у которых электронно-дырочная проводимость зависит от температуры. Конструктивно проволочные терморезисторы представляют собой бифилярную (двойную) намотку соответствующей проволоки на каркас – изолятор различных поперечных сечений (круглых, плоских, Х-образных), который помещают в защитный трубчатый чехол, похожий на чехол термопары (рис. 60).
Датчики температуры бесконтактные. Их действие основано на использовании зависимости интенсивности и спектрального состава излучения от температуры излучающего тела. Примерами применения могут служить измерение высокой температуры в топках теплогенераторов, печей, измерение температуры поверхностей нагревательных приборов, ограждений, определение результирующей температуры в помещении и т.д.
Базовые методы основаны на измерении яркостной, радиационной и цветовой температур. Датчики включают оптическую систему и приемник излучения, тип которого определяется диапазоном измеряемых температур (длиной волны излучения). На рис. 61 показана схема радиационного пирометра. Лучистый поток от тела 1 через объектив 2 фокусируется на термобатарее 3, состоящей из лепестковых термопар, работающей в комплекте с милливольтметром 4, градуированным по температуре. Для определения суммарного эффекта влияния температуры воздуха и радиационной температуры окружающих поверхностей применяют шаровой термометр, состоящий из термодатчика (термометр, терморезистор или термопара), помещенного внутри тонкостенного полого медного шара диаметром 152 мм, окрашенного изнутри и снаружи черной матовой краской. В последнее время широко используются приборы дистанционного теплового контроля (тепловизоры), позволяющие оперативно определять поля температур на поверхностях нагретых предметов (ПТК-1, Киев; Термовизион 780, 782 фирмы “AGA”, Швеция и др.). Близки по принципу действия к рассмотренным актинометры, служащие для измерения интенсивности тепловой радиации.
