История и развитие средств измерений

В действительности изменение давления газа в системе будет несколько меньшим, чем дает выражение (2-11), вследствие некоторого увеличения объема термобаллона при нагревании.

Барометрическая погрешность газового термометра уменьшается при повышении в термосистеме начального давленияр1, поэтому заполнение последней азотом производится при давлении до 3,5 МПа.

На показания газовых термометров оказывают влияние отклонения температуры воздуха, окружающего пружину и соединительный капилляр, от ее значения при градуировке (обычно 20 °С). Для уменьшения температурной погрешности внутренний объем термосистемы выбирают таким, чтобы объем термобаллона в несколько раз превышал общий объем пружины и капилляра.

Газовые мапометрические термометры часто выполняются с температурной компенсацией. Для этого меяеду подвижным концом пружины и указательной стрелкой (или рычагом пара) включается небольшая изогнутая дилатометрическая пластинка (компенсатор), которая при изменениях температуры окружающего воздуха изгибается так, что перемещение конца пружины под действием этой температуры не отражается на показаниях термометра.

Выпускаются показывающие газовые манометрические термометры типа ТПГ и самопишущие тина ТГС, имеющие спиральную трубчатую пружину.

Термометр типа ТПГ имеет круглый корпус диаметром 160 мм, а термометр типа ТГС - прямоугольный с габаритами 280х340x126 мм. Приборы предназначены для выступающего и утопленного монтажа. Самопишущий прибор выпускается одно- и двухточечным. В последнем случае запись показаний производится на общей диаграмме разноцветными чернилами.

На рис. 5 даны схема и общий вид одноточечного самопишущего манометрического термометра типа ТГС

Термобаллон 1 посредством капилляра 2 соединен с неподвижным концом спиральной трубчатой пружины 3, закрепленным на кронштейне 4. Подвижный запаянный конец пружины связан компенсатором 5 и тягой 6 с рычагом 7, сидящим на оси 8. На этой же оси закреплены уравновешивающий рычаг 9 с противовесами и рычаг 10 с пером. Прибор снабжен корректором нуля 11. Запись показаний производится на диаграммном диске 12, закрепляемом на оси 13, вращаемой с частотой 1 об/сут синхронным микродвигателем или часовым механизмом.

Газовые термометры типов ТПГ и ТГС изготовляются с длиной капилляра 1,6 - 40 м. Длина термобаллона их зависит от длины капилляра и составляет 125 - 500 мм. Диаметр термобаллона равен 20 и длина погружаемой части 160 - 630 мм. Для установки при рабочем давлении среды до 6,4 МПа термобаллон снабжен штуцером с резьбой и сальником. При более высоком давлении термобаллон устанавливается в защитной гильзе. Соединительный капилляр заключен в гибкую защитную оболочку из оцинкованной проволоки.

Газовые термометры выпускаются с конечным значением шкалы 50 - 600 °С. Класс точности приборов 1 и 1,5.

Перечень газовых манометрических термометров типов ТПГ и ТСГ приведен в табл. 2:

Показывающий термометр типа ТПГ-СК с электроконтактным устройством служит для измерения и сигнализации значений температуры до 50 - 400° С. Прибор имеет круглый корпус диаметром 160 мм и соединительный капилляр длиной 1,6 - 25 м. Длина погружения термобаллона, рассчитанного на давление измеряемой среды 6,4 МПа, составляет 160 - 630 и диаметр 20 мм. Класс точности термометра 2,5. Сигнализирующее устройство прибора состоит из двух изолированных друг от друга и от указательной стрелки предельных контактов, устанавливаемых от руки на любые деления шкалы прибора. Разрывная мощность контактов при напряжении 220 В не более 10 В • А.

в) Жидкостные и конденсационные манометрические термометры

Жидкостные манометрические термометры заполняются органическими полиметилси-локеановыми жидкостями. Изменение давления при нагревании этих жидкостей в замкнутой термосистеме находится в прямой зависимости от температуры и выражается равенством (2-10).

Температурная погрешность у жидкостных термометров несколько больше, чем у газовых, поэтому длина капилляра у них не превышает 10 м.

Для уменьшения барометрической погрешности термометры заполняются жидкостью при начальном давлении 1,5-2 МПа.

Гидростатическая погрешность жидкостных термометров, возникающая в связи с тем, что давление, передаваемое термобаллоном пружине, будет больше на величину столба жидкости, заключенной в капилляре при расположении термобаллона выше пружины, и меньше на ту же величину при обратном расположении, может быть устранена путем изменения корректором нуля начального положения конца трубчатой пружины (указательной стрелки) после установки прибора или определена из выражения

где ∆р - давление столба жидкости в капилляре, МПа;

h - высота столба жидкости в капилляре, м;

ρ - плотность жидкости, кг/м3;

g - местное ускорение свободного падения тел, м/с2 1 (1 Ускорение свободного падения тел (земное притяжение) зависит от географической широты и высоты места над уровнем моря. Нормальное ускорение gн = 9,81 м/с2 (точнее, 9,80665 м/с2) соответствует земному притяжению на широте 45° и на уровне моря.)

Изготовляются жидкостные манометрические термометры - показывающий типа ТПЖ4 и самопишущие типов ТЖС-711, ТЖС-712, ТЖ2С-711 и ТЖ2С-712. Приборы имеют те же характеристики (табл. 2-6), а также класс точности и габариты, что и соответствующие газовые термометры. Конечное значение шкалы термометров 50 – 300 °С, длина капилляра 1,6 - 10 м, диаметр термобаллона 12 и длина погружения 80 - 400 мм.

Конденсационные манометрические термометры имеют в качестве рабочего вещества низкокипящие органические жидкости (хлористый метил, ацетон и фреон). Действие этих приборов основано на законе Дальтона, дающем однозначную зависимость между давлением и температурой насыщенного пара вплоть до критической температуры вещества.

Термобаллон конденсационных термометров на 2/3 залит рабочей жидкостью, над которой находится образующийся из нее насыщенный пар. Капилляр и пружина термометра заполнены той же жидкостью, что и термобаллон. Для обеспечения постоянного заполнения капилляра жидкостью конец его опускается до дна термобаллона.

На показания конденсационного термометра не влияет изменение температуры окружающего воздуха, так как давление в системе зависит только от давления пара в термобаллоне, т. е. от измеряемой температуры.

Гидростатическая и барометрическая погрешности заметно отражаются на показаниях конденсационных термометров, особенно в области низких температур, когда давление пара в системе сравнительно невелико. Гидростатическая погрешность приборов определяется по формуле (2-12).

Конденсационные термометры имеют узкий диапазон показаний и неравномерную шкалу, сжатую вначале вследствие нелинейной зависимости между давлением насыщенного пара и его температурой.

Для измерения и сигнализации температуры изготовляются конденсационные показывающие и сигнализирующие термометры типов ТПП4-П1 и ТПП-СК. Приборы предназначены для измерения и сигнализации температуры в диапазоне до 300 °С. Класс точности первого из них 1,5 и второго 2,5. Длина капилляра термометров 1,6 -16 м, диаметр термобаллона 16 и длина погружения 125 - 250 мм. Термометры имеют круглый корпус диаметром 160 мм, приспособленный для выступающего и утопленного монтажа.

Биметаллические термометры. Термометры биметаллические состоят из чувствительного элемента и показывающей части. Принцип действия термометров биметаллических основан на том, что полоска из двух свальцованных друг с другом пластин из металлов с различным коэффициентами расширения /биметалл/, искривляется при изменении температуры. В результате механической деформации возникает вращательное движение. Если внешний конец биметаллической измерительной системы жестко закреплен, то другой конец без промежуточного элемента поворачивает вал указательной стрелки.

Диапазоны показаний термометров биметаллических от -70*с до +600*С. Термометры биметаллические бывают осевые и радиальные. Термометры биметаллические являются хорошей альтернативой широко распространенным жидкостным термометрам.

Основным преимуществом датчиков является простота и надежность конструкции, возможность работы без электрического тока.

Относительным недостатком термометров биметаллических является их относительно более высокая, чем у жидкостных термометров стоимость и более длительное время срабатывания.

Основные области применения биметаллических температурных датчиков – автомобильная промышленность, системы отопления и нагрева воды.

 

Измерение и средства измерения высоких температур:

 

При высокой температуре любое нагретое тело значительную долю тепловой энергии излучает в виде потока световых и тепловых лучей. Чем выше температура нагретого тела, тем больше интенсивность излучения. Тело, нагретое приблизительно до 600°С, излучает невидимые инфракрасные тепловые лучи. Дальнейшее увеличение температуры приводит к появлению в спектре излучения видимых световых лучей. По мере повышения температуры цвет меняется: красный цвет переходит в желтый и белый, представляющий собой смесь излучений разной длины волны.

Способность к излучению различна у разных поверхностей. Наибольшей лучеиспускательной и лучепоглощающей способностью обладает так называемое абсолютно черное тело. Реально существующие в природе тела не обладают свойствами абсолютно черного тела, но могут иметь близкие к нему свойства. Например, лучеиспускательная способность графита в порошке составляет 95% по отношению к излучательной способности абсолютно черного тела. 

 

Энергия излучения неравномерно распределяется между колебаниями с равной длиной волны. Чем выше температура, тем большая доля энергии приходится на излучение с меньшей длиной волны. Например, в солнечном свете значительную долю составляет ультрафиолетовое излучение с малой длиной волны. Яркость излучения однозначно зависит от температуры, следовательно, измеряя яркость, можно определить температуру. Существующие приборы для измерения температуры по интенсивности излучения градуируют по излучению искусственного абсолютно черного тела. Поэтому при практических измерениях они заведомо имеют некоторую погрешность. Особенностью пирометров излучения является то, что измерение температуры производится без непосредственного контакта прибора с объектом измерения, что позволяет контролировать температуру сильно нагретых тел, а также движущихся объектов.

По принципу действия пирометры излучения разделяют на оптические и радиационные.

ОПТИЧЕСКИЙ ПИРОМЕТР С ИСЧЕЗАЮЩЕЙ НИТЬЮ

Принцип действия оптического пирометра с исчезающей нитью основан на сравнении монохроматической яркости излучения накаленного тела с монохроматической яркостью излучения нити специальной пирометрической лампы  накаливания. Принципиальная схема оптического пирометра типа ОППИР-017 приведена на рис.1а.

Рис.1

Оптическая система пирометра представляет собой телескоп с объективом (1) и окуляром (4). Перед окуляром помещен красный светофильтр (3). Спектральная характеристика пропускания светофильтра подбирается с учетом спектральной чувствительности глаза так, чтобы при рассматривании объекта через светофильтр наибольшая видимая яркость соответствовала бы длине волны около 0,65 мкм. В фокусе объектива находится вольфрамовая нить пирометрической лампочки (5). Нить лампочки питается от аккумулятора; ее накал можно регулировать вручную реостатом (6). В поле зрения телескопа наблюдатель видит участок излучающей поверхности накаленного тела (объекта измерения) и на этом фоне – нить лампочки (рис.1б). Если яркости нити и накаленного тела неодинаковы, нить будет видна более темной или более светлой, чем фон. Регулируя накал нити реостатом, наблюдатель добивается равенства яркостей, при этом изображение нити сольется с фоном и станет неразличимо (нить "исчезнет"). В этот момент яркостная температура нити равна яркостной температуре объекта измерения. Глаз весьма чувствителен к различению яркостей и момент "исчезновения" нити улавливается с достаточной уверенностью. Показывающий прибор (8), включенный в цепь нити накаливания, градуируется по образцовому пирометру или по температурным лампам, в °С яркостной температуры.

Как указывалось выше, если объект измерения по своей излучающей способности близок к абсолютно черному телу, то показываемая пирометром яркостная температура равна истинной температуре объекта. Однако излучающая способность реальных физических тел не достигает излучающей способности абсолютно черного тела. Поэтому при одинаковой яркости излучения, т.е. при одинаковой яркостной температуре, истинная температура Т реального физического тела будет выше яркостной температуры ТS, показываемой оптическим пирометром. Соотношение истинной и яркостной температур определяется выражением

                ( 1 )

где, Т и ТS - истинная и яркостная температуры в градусах абсолютной шкалы;

 - длина волны света, в котором  измеряется яркостная температура (для оптических пирометров обычно  = 0,65 мкм);

с2 - 1,438 см/град. – постоянная;

 - коэффициент излучательной способности (коэффициент черноты) реального  тела для длины волны  .

Коэффициент излучательной способности   всегда меньше единицы и больше нуля и колеблется в этих пределах в зависимости от материала, его состояния (жидкое, твердое) и шероховатости поверхности. Значительное влияние на величину коэффициента черноты оказывает наличие пленки окисла на поверхности раскаленного металла. Так, например, углеродистая сталь для  = 0,65 мкм имеет в твердом состоянии  = 0,35, в жидком - 0,37; наличие пленки окисла на твердой поверхности стали увеличивает коэффициент черноты до 0,8.

Для определения истинной температуры объекта в показания оптического пирометра необходимо вносить поправку, определяемую на основе формулы (1) или по таблицам, составленным по той же формуле. При этом величина поправки может быть значительной. Например, при коэффициенте черноты  = 0,35 и яркостной температуре 2400°С истинная температура составляет 2795°С.

Колебания коэффициента черноты в зависимости от состава и температуры металла и состояния его наблюдаемой поверхности являются одним из основных источников погрешностей измерения температуры оптическими пирометрами.

Во избежание перегрева нити, ее температура не должна превышать 1500°С, поэтому при измерениях в диапазоне более высоких температур перед лампой устанавливается поглощающий светофильтр (7), уменьшающий видимую яркость излучения объекта.

Отечественные пирометры выпускаются с диапазонами измерения 1200-3200 и 1500-6000°С. Диапазон измерения прибора может быть разбит на два поддиапазона, в этом случае пирометр имеет две шкалы. Переход с одного диапазона на другой осуществляется введением или выведением поглощающего светофильтра.

Для питания оптического пирометра типа ОППИР-017 применяется сдвоенный щелочной аккумулятор НКН-10. Сила тока в лампе регулируется реостатом. Электроизмерительный показывающий прибор представляет собой дифференциальный амперметр с двумя рамками, который реагирует на изменение тока в цепи питания и напряжения на параметрической лампе. При этом автоматически учитывается изменение сопротивления нити лампы от температуры ее накала. Время установления показания после включения прибора не превышает 8с. Основная допустимая погрешность измерения яркостной температуры зависит от диапазона температур и составляет от 1 до 25% от верхнего предела используемой, шкалы прибора.