История и развитие средств измерений

Так как эта погрешность может достигать десятков градусов, то необходимо в показания прибора вносить соответствующую поправку. Эта поправка может быть высчитана, если известна температура свободных концов.

Так как температура свободного конца термопары при градуировке to равна 0°С, а в эксплуатации она, как правило, выше 0°С (свободные концы находятся обычно в помещении, часто они расположены близко к печи, температура которой замеряется), то пирометр дает заниженное против действительной измеряемой температуры показание и значение последнего надо увеличить на величину поправки.

Обычно это осуществляется графическим путем. Это вызывается тем, что обычно отсутствует пропорциональность между термо-э. д. с. и температурой. Если же зависимость между ними пропорциональная, то градуировоч-ная кривая представляет прямую линию и в этом случае поправка на температуру свободного конца термопары будет равна непосредственно его температуре.

Конструкция и типы термопар

К материалам для термоэлектродов предъявляются следующие требования:

1) высокая термо-э. д. с. и близкий  к пропорциональному характер  ее изменения от температуры;

2) жаростойкость (неокисляемость при  высоких температурах);

3) неизменяемость физических свойств  с течением времени в пре  делах измеряемых температур;

4) высокая электрическая проводимость;

5) малый температурный коэффициент  сопротивления;

6) возможность производства в больших  количествах с неизменными физическими  свойствами.

В настоящее время применяются следующие стандартные термопары.

Платинородий-платиновая термопара. Эти термопары могут быть применены для измерения температур до 1300°С при длительном применении и до 1600 °С при кратковременном, при условии их использования в окислительной газовой среде. При средних температурах платинородий-платиновая термопара зарекомендовала себя как очень надежная и стойкая, поэтому она применяется как образцовая в интервале 630 - 1064°С.

Хромель-алюмелевая термопара. Эти термопары предназначены для измерения температур при длительном применении до 1000 °С и при кратковременном — до 1300°С. Они надежно работают в этих пределах в окислительной атмосфере (если отсутствуют агрессивные газы), так как на поверхности электродов при нагреве образуется тонкая защитная пленка окислов, препятствующая проникновению кислорода в металл.

Хромель-копелевая термопара. Эти термопары позволяют измерять температуры длительно до 600°С и кратковременно до 800 °С. Они успешно работают как в окислительной, так и в восстановительной атмосфере, а также в вакууме.

Железо-копелевая термопара. Пределы измерений — те же, что и хромель-копелевых термопар, условия работы — такие же. Она дает меньшую термо-э. д. с. по сравнению с термопарой ХК: 30,9 мВ при 500 °С, но ее зависимость от температуры ближе к пропорциональной. Существенным недостатком термопары ЖК является коррозия ее выполненного из железа электрода.

Медь-копелевая термопара. Так как медь в окислительной атмосфере начинает интенсивно окисляться уже при 350°С, то пределы применимости этих термопар — 350 °С длительно и 500 °С кратковременно. В вакууме эти термопары можно применять до 600 °С.

Сопротивление термоэлектродов стандартных термопар из неблагородных металлов составляет 0,13 - 0,18 Ом на 1 м длины (в оба конца), для платинородий-платиновых термопар 1,5—1,6 Ом на 1 м. Допустимые отклонения термо-э. д. с. от градуировочных для неблагородных термопар составляют ±1%, для платинородий-платиновых ±0,3—0,35%.

Стандартная термопара представляет собой жезл диаметром 21—29 мм и длиной 500 — 3000 мм. На верхней части защитной трубы надета штампованная или литая (обычно из алюминия) головка с карболитовой или бакелитовой пластиной, в которую запрессованы две пары выводов с винтовыми зажимами, соединенные попарно; в один из выводов зажат термоэлектрод, к другому присоединен соединительный провод, ведущий к измерительному прибору. Иногда соединительные провода заключаются в гибкий защитный шланг. При необходимости герметизировать отверстие, в котором устанавливается термопара, последняя снабжается штуцером с резьбой. Для ванн термопары выполняются также коленчатой формы.

Термометры:

Жидкостные термометры. Термометры, действие которых основано на тепловом расширении жидкости (ртути, спирта, пен-тана и др.), служат для измерения температур в интервале от -200 до +750 °С.

Жидкостные термометры представляют собой стеклянный резервуар с припаянным к нему стеклянным капилляром. Жидкость полностью заполняет резервуар и часть капилляра. При изменении температуры объем жидкости меняется, вследствие чего ее уровень в капилляре поднимается или опускается на величину, пропорциональную изменению температуры. Благодаря малому диаметру капилляра даже небольшое изменение объема жидкости заметно меняет ее уровень в капилляре.

В качестве термометрического вещества, заполняющего термометр, для измерения температур выше 30 °С чаще всего применяют ртуть, которая находится в жидком состоянии в большом интервале температур (от -39 до +357 °С). Для измерения температур ниже -30 °С обычно используют подкрашенный спирт.

По конструкции жидкостные термометры бывают трех типов: палочные, с вложенной шкалой и с прикладной наружной шкалой.

Палочные термометры (рис. 2.8, а) — это массивные капиллярные трубки, на внешней поверхности которых нанесена шкала.

Рис. 2. Жидкостные термометры: 
а – палочный; б – с вложенной шкалой; в – с прикладной шкалой

Рис. 3. Технические стеклянные ртутные термометры: 
а — прямые; б — угловые

У термометров с вложенной шкалой (рис. 2.8, б) внутри стеклянной оболочки заключена капиллярная трубка, а позади нее — шкальная пластина из непрозрачного стекла белого цвета. Шкальная пластина в нижней части опирается на сужение оболочки, а в верхней — припаяна к внутренней стороне оболочки. Пластина может быть закреплена и другим способом. Капиллярная трубка крепится к шкальной пластине тонкой проволокой из нержавеющего металла.

Термометры с прикладной наружной шкалой (рис. 2.8, в) представляют собой массивную пластину из пластмассы, дерева или металла, с нанесенной на нее шкалой, к которой прикреплен капилляр с резервуаром. Чтобы предохранить жидкостные термометры от разрушения при случайном перегреве, в верхнем конце капилляра предусмотрено расширение (запасной резервуар) или выступающая за пределы градуированной шкалы часть капилляра, допускающая перегрев не менее чем на 20 СС.

Отметки шкалы нанесены в виде штрихов, перпендикулярных оси капилляра. Цена деления шкалы термометра от 10 до 0,01 °С. Для удобства пользования и обеспечения высокой точности измерения термометры изготовляют с укороченной шкалой. Наиболее точные термометры имеют на шкале точку О °С независимо от нанесенного на ней температурного интервала.

Общий недостаток жидкостных термометров — значительная тепловая инерция и не всегда удобные для работы габариты.

По назначению жидкостные термометры бывают различных видов. В строительных лабораториях чаще всего применяют стеклянные лабораторные и технические ртутные термометры и жидкостные (нертутные) термометры.

Стеклянные ртутные лабораторные термометры, применяемые для измерения температур в интервале от -30 до +500 °С, бывают палочные и с вложенной шкалой. Промышленность выпускает 30 видов лабораторных термометров с интервалом температур 100 и 50 °С и ценой деления шкалы от 2 до 0,1 °С.

Стеклянные ртутные термометры для точных измерений рассчитаны на узкие пределы измерений. Изготовляют их обычно палочными. В зависимости от точности измерений термометры выпускают четырех групп: 1, И, III, IV с ценой деления шкалы соответственно 0,01; 0,02; 0,05; 0,1 °С.

Стеклянные технические термометры предназначены для измерения температур в интервале от -90 до 600 °С. По форме эти термометры (рис. 2.9) могут быть прямые (П) и угловые (У). В термометры вложена шкальная пластина, закрепляемая сверху пробкой. Промышленность выпускает 12 видов технических термометров, отличающихся пределами измерения. Термометры используют для измерения температуры в сушильных шкафах, термостатах, холодильных камерах и других установках. Для этого термометр погружают узкой нижней частью на требуемую глубину, а верхняя часть находится снаружи.

Стеклянные жидкостные (нертутные) термометры служат для измерения температур в интервале от -200 до +200 °С. В качестве термометрической жидкости в них используют органические вещества: этиловый спирт, пропан, керосин и т. п. Жидкостные термометры выпускают палочные, с вложенной и прикладной шкалами.

Правила пользования жидкостными термометрами. Термометры хранят в футлярах, избегая резких толчков и изменений температуры. Обязательные условия правильной работы жидкостных термометров — непрерывность и равномерность движения термометрической жидкости в капилляре. Она не должна оставлять следов на стенках капилляров и ее столбик не должен рваться.

Для измерения температуры выбирают термометр с соответствующими пределами измерений. Например, температуру от 10 до 40 °С можно определить термометром с пределами измерений от 0 до 50 °С. При измерении температуры в тепловых приборах (сушильных шкафах, термостатах) верхний предел шкалы термометра должен превышать температуру, которая может быть создана в приборе. В противном случае расширяющаяся ртуть может разорвать капилляр, и термометр придет в негодность.

Отсчет по шкале термометра снимают в тот момент, когда прекращается перемещение столбика жидкости относительно шкалы. Термометр при считывании показаний нельзя извлекать из среды, в которой измеряется температура, так как его показания при этом изменяются.

Для наблюдения за температурой воздуха в помещении термометр помещают на внутренней стене или перегородке помещения так, чтобы на него не действовали прямые солнечные лучи, нагревательные или охлаждающие приборы. При измерении температуры воздуха термометр всегда должен быть сухим. Влажный термометр за счет испарения с его поверхности воды охлаждается и показывает меньшую температуру.

МАНОМЕТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ. Действие манометрических термометров основано на зависимости давления жидкости, газа или пара с жидкостью в замкнутом объеме (термосистеме) от температуры. Указанные термометры являются промышленными показывающими и самопишущими приборами, предназначенными для измерения температуры в диапазоне до 600 °С. Класс точности их 1-2,5 1 (1 ГОСТ 8624-71 Термометры манометрические ГСП.)

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

а) Основные сведения о манометрических термометрах

Схема показывающего манометрического термометра приведена на рис.4.

Термосистема прибора, заполненная рабочим веществом, состоит из термобаллона 1, погружаемого в измеряемую среду, манометрической трубчатой пружины 2, воздействующей посредством тяги 3 на указательную стрелку 4, и капилляра 5, соединяющего пружину с термобаллоном.

Термобаллон представляет собой металлическую трубку, закрытую с одного конца, а с другого соединенную с капилляром. Посредством съемного штуцера 6 с резьбой и сальником термобаллон устанавливается в трубопроводах, баках и т. п. Возможна установка его и в защитной гильзе. При нагреве термобаллона увеличение давления рабочего вещества передается через капилляр трубчатой пружине и вызывает раскручивание последней до тех пор, пока действующее на нее усилие, пропорциональное разности давлений в системе и окружающем воздухе, не уравновесится силой ее упругой деформации.

Соединительный капилляр изготовляется из медной или стальной трубки с внутренним диаметром до 0,5 и толщиной стенки до 2,5 мм. Снаружи он защищен металлической оплеткой. Длина капилляра может достигать 40 м.

В качестве упругого элемента в термометрах применяются одно- и многовитковая трубчатые пружины (рис. 2-9), изготовленные из медного сплава.

Одновитковая пружина выполняется из трубки овального сечения, согнутой по окружности на угол 270°. Большая ось сечения трубки располагается параллельно оси окружности. Подвижный конец трубки наглухо закрыт, а неподвижный сообщается с измеряемой средой. Под действием внутреннего давления сечение пружины стремится принять форму круга, в результате чего она частично выпрямляется, вызывая при этом перемещение подвижного конца, соединенного с указательной стрелкой передаточным механизмом. Изменение давления в пружине вызывает пропорциональное перемещение стрелки.

Многовитковая пружина, выполняемая в виде плоской спирали, имеет в сечении сплюснутую окружность и содержит 3—4 витка. Принцип действия этой пружины тот же, что и одновитковой, но перемещение подвижного конца и создаваемый вращающий момент у нее значительно больше.

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 гидростатическую (у жидкостных и конденсационных термометров), появляющуюся при установке термобаллона и пружины на разных высотах.

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.

б) Газовые манометрические термометры

Газовые манометрические термометры заполняются азотом. Термометры имеют равномерную шкалу, так как изменение давления газа при постоянном объеме пропорционально изменению его температуры, т. е.

где р1 и p2 - начальное и конечное давления рабочего вещества, МПа;

β - температурный коэффициент давления,

t1 и t2 - начальная п конечная температуры рабочего вещества, °С.

Для газов коэффициент давления β равен коэффициенту объемного расширения α , который имеет практически постоянное значение, равное 3,66•10-3 К-1. Таким образом, для газов равенство (2-10) имеет вид: