Термометры и термопреобразователи

Температура – это параметр, характеризующий технологический процесс. В животноводческих комплексах, птицеводческих фабриках и тепличных комбинатах она особенно важна, т. к. от точности измере­ния и поддержания температуры на различных стадиях технологичес­кого процесса во многом зависит качество готовой продукции.

В соответствии с системой СИ для измерения температуры поль­зуется абсолютная термодинамическая шкала Кельвина. Градусы температуры по этой шкале отчитываются от абсолютное нуля. который ниже точки таяния льда на 273,16 К. Наряду с этим принята международная практическая температурная шкала МПТШ-68. осно­ванная на шкале Цельсия. Таким образом, значения температуры в градусах Кельвина на 273,16 больше значений в градусах Цельсия (в инженерных расчетах принимают 0 °С = 273 К). Большинство современ­ных термометров имеет шкалу в градусах Цельсия, но в расчетах чаше применяются градусы Кельвина.

Промышленные термометры делятся на три большие группы: термометры расширения, термоэлектрические преобразователи и термо­пре­образователи сопротивления.

Термометры расширения действуют на основании способности жидкостей и газов изменять свой объем, а твердых тел – размеры при изменении температуры. Термометры расширения представляют собой цельное устройство, снабженное шкалой, предназначенной для ви­зуального наблюдения за температурой. Термометры бывают жид­костные, дилатомет­рические и манометрические.

Жидкостный термометр расширения состоит из резервуара, запол­ненного жидкостью (ртуть, спирт), капиллярной трубки и шкалы, которая наносится или вкладывается в стеклянную трубку (рис. 2 а). Объем жидкости меняется в зависимости от температуры

V=V ₀[1+ a_v (T–T ₀)], (1)

где V и V ₀ – объемы жидкости при температуре T и T ₀, м³; a_v – коэффициент объемного расширения, 1/К (%/К).

Показания жидкостных термометров расширения определяются не только температурой измеряемой среды, но и температурой высту­пающей части, которая находится в контакте с окружающей средой. Поправку на выступающий столбик D Т подсчитывают по формуле

D Т=a_v (T–T _в.с.) n °, (2)

где T _в.с. — температура выступающего столбика, °С; n ° — число градусов в выступающем столбике.

Дилатометрический термометр расширения действует на основании использования теплового линейного расширения твердых тел (стержней, пластинок, спиралей) (рис.2 б)

2 l = l ₀[1+ a_l (T – T ₀)], (3)

где l и l ₀ – линейные размерь: при температурах T и T ₀, м; a_l – коэффициент линейного расширения, 1/К (%/К).

Перемещение стержня с большим коэффициентом линейного расшире­ния передается через рычажную передачу указательной стрелке. Относитель­ное перемещение стрелки D l, вызванное изме­нением температуры, находят по формуле

Рис 2. Термометры расширения:

а — жидкостные; б — дилатометрические: 1 — термочувствительный корпус; 2 — стержень; 3 — рычаг; 4 — стрелка; 5 — шкала; в — манометрические: 1 — термобаллон; 2 — дистан­ционный капилляр; 3 — рычаг; 4 — сектор с червяком; 5 — трубка с шестерней; 6 – упругий термочувствительный элемент, 7 — шкала; 8 — стрелка; 9 – кулачок.

D l = kl ₀ a_l D T, (4)

где k — отношение плеч рычага; l ₀ — начальная длина стержня, м; D T –изменение темпе­ратуры, °С.

Манометрический термометр состоит из чувствительного элемента – термобаллона, п Манометрический термометр огруженного в измерительную среду, капиллярной трубки и указателя с пружинной системой (рис. 2, в).Все элементы соединены герметично, вследствие чего внутренняя полость термометра представляет собой замкнутое пространство, заполненное газом или жидкостью. При нагревании термобаллона в системе соз­дается давление, которое вызывает перемещение механизма указате­ля.

В газовых термометрах термобаллон заполнен азотом, аргоном или гелием, и зависимость давления от температуры определяется выражением

p = p ₀[1+ a_v (T–T ₀)], (5)

где p и p ₀ – давления газа (или жидкости) при температурах T и T ₀, Па; для газов коэффициент объемного расширения a_v =1/273 1/К.

Для снижения влияния атмосферного давления на показания прибора в термосистеме создается давление не более 5 МПа. Колеба­ния температуры окружающего воздуха вызывают погрешности измерения. Погрешности от нагревания манометрической пружины D T _м и капиллярной трубки D T _к определяются по формулам

D T _м=(V _м/ V ₅)(T _м– T ₀) и (6)

D T _к=(V _к/ V ₅)(T _к– T ₀),

где V _м, V ₅ и V _к — объемы соответственно манометрической пружины, термобаллона и капиллярной трубки, м³; T _м, T _к и T ₀ – температуры пружины, трубки и окружающей среды, °С.

В жидкостных термометрах термобаллон заполнен ртутью или другой термометрической жидкостью. Избыточный объем жидкости вытесняемой из термобаллена,

D V =(a_v –3 a _тб)(T – T ₀) V ₀, (7)

где a _тб — коэффициент объемного расширения материала термобаллона, 1/К; V ₀ – объем жидкости при температуре T ₀, м³.

Шкала как газовых, так и жидкостных термометров расширения линейная, но у жидкостных ниже тепловая инерционность, чем у газовых.

Недостаток всех перечисленных термометров расширения – сложность преобразования температуры в электрический сигнал. Поэтому в авто­матических системах чаще применяются термоэлектрические преобразо­ватели и термометры сопротивления.

Рис. 3. Измерение термо-эде:

а — микровольметром; б – потенциометром.

Термоэлектрический преобразователь (тормопара) на основании воз­никновения термо-эдс Е в цепи, состоящей из двух разнообразных про­водников при наличии разности температур Т и Т ₀ соединений их концов

E (T, T ₀)= f (T)– f (T ₀). (8)

Обычно одно из соединений термопары (холодный спай) находится в среде с постоянной температурой, а другое (горячий спай) – в иссле­дуемой среде. Зависимость f (T)близка к линейной и определяется материалами.проводников термоэлектрической цепи. Для расчетов используют градуированныетаблицы значений E (T, T ₀)= f (T)при T ₀=0°С, которые приведены в приложении 1.

Обычно измерения проводят в окружающей среде, температура которой отличается от 0°С, поэтому необходимо вводить поправку на температуру холодных спаев. Ее можно рассчитать по формуле

T _ис= T _и+ k (T _х– T ₀), (9)

где T _ис и T _и – истинные и измеренные значения температуры, °С; T _х и T ₀ – температуры холодных слоев при измерении и градуировке (T ₀=0 °С), °С; k – поправочный коэффициент, значения которого для различных диапазонов температур приведены в приложении 1.

Термо-эдс измеряют с помощью милливольтметров и потенциомет­ров. В первом случае (рис. 3, а)напряжение на выводах милливольт­метра связано с термо-эдс соотношением

U = E (T, T ₀)/(1+ R _эк, R_p), (10)

где R_p – внутреннее сопротивление эдльметра, кОм, R _эк – сопротивление из­мерительной цепи, в которое входит сопротивление термопары, соединительных проводов, контактов и т.д., Ом.

Во втором случае (рис. 3. б)используют метол уравновешивания термо-эдс известным напряжением. Вначале обеспечивается постоянство тока в цепи потенциометра R_p. Для этого переключатель ставят в положение К и с помощью переменного резистора R добиваются нулевого значения на шкале измерительного прибора РА, что соответствует току I = E _нэ/ R _нэ в ветви ac. Затем переключатель перево­дят е положение И и добиваются нуля в цепи РА с помощью потен­циометра R_p, что соответствует равенству разности потенциалов между точками b и d, т. е.

E (T, T ₀)= IR_bd = E _нэ R_bd / R _нэ. (11)

Так как E _нэ и R _нэ – величины постоянные, то измерение сводится к определению сопротивления R_bd, а подвижный контакт потенциометра R_p непосредственно связан со шкалой температуры.

При измерении температуры с помощью термопар не требуются дополнительные источники питания. К недостаткам этих приборов относятся низкая температурная чувствительность и необходимость учитывать темпе­ратуру холодных спаев.

Контрольные вопросы:

1. Термомерты и термопреобразователи - это

2. Манометрический термометр -

3. Манометрический термометр -