Методы и приборы для измерения температуры Исполнитель
- Скачано: 47
- Размер: 70.5 Kb
Методы и приборы для измерения температуры
План:
1. Классификация термометров
2. Термометр расширения
3. Термометры, основание на расширение твердых тел
4. Газовые манометрические термометры
5. Электрические термометры.
6. Термометры сопротивления
{spoiler=Подробнее}
1. Классификация термометров.
Температура вещества - величина, характеризующая степень нагретости, которая определяется внутренней кинетической энергией теплового движения молекул. Измерение температуры практически возможно только методом сравнения степени нагретости двух тел.
Для сравнения нагретости этих тел используют изменения каких-либо физических свойств, зависящих от температуры и легко поддающихся измерению.
По свойству термодинамического тела, используемого для измерения температуры, можно выделить следующие типы термометров:
- термометры расширения, основанные на свойстве температурного расширения жидких тел;
- термометры расширения, основанные на свойстве температурного расширения твердых тел;
- термометры газовые манометрические;
- термометры жидкостные манометрические;
- конденсационные;
- электрические;
- термометры сопротивления;
- оптические монохроматические пирометры;
- оптические цветовые пирометры;
- радиационные пирометры.
2 Термометры расширения. Жидкостные стеклянные
Тепловое расширение жидкости характеризуется сравнительным коэффициентом объемного расширения, значение которого определяется как
, 1/град,
где V0, Vt1, Vt2 - объемы жидкости при 0 °С, температурах t1 и t2 соответственно.
Чувствительность термометра зависит от разности коэффициентов объемного расширения термометрической жидкости и стекла, от объема резервуара и диаметра капилляра. Чувствительность термометра обычно лежит в пределах 0,4…5 мм/°С (для некоторых специальных термометров 100…200 мм/°С).
Для защиты от повреждений технические термометры монтируются в металлической оправе, а нижняя погружная часть закрывается металлической гильзой.
3 Термометры, основанные на расширении твердых тел
К этой группе приборов относятся дилатометрические и биметаллические термометры, основанные на изменении линейных размеров твердых тел с изменением температуры.
1) Конструктивное исполнение дилатометрических термометров основано на преобразовании измеряемой температуры в разность абсолютных значений удлинений двух стержней, изготовленных из материалов с существенно различными термическими коэффициентами линейного расширения:
, 1/град,
где l0, lt1, lt2 - линейные размеры тела при 0 °С, температурах t1 и t2 соответственно.
В силу того, что Db мала, дилатометрические термометры применяются в качестве различного рода тепловых реле в устройствах сигнализации и регулирования температуры.
2) Биметаллические термометры основаны на деформации биметаллической ленты при изменении температуры. Обычно применяются биметаллические ленты, согнутые в виде плоской или винтовой спирали. Один конец спирали укреплен неподвижно, второй - на оси стрелки. Угол поворота стрелки равен углу закручивания спирали, который пропорционален изменению температуры.
Биметаллические термометры обеспечивают изменение температуры с относительными погрешностями 1 - 1,5 %.
4 Газовые манометрические термометры
В основу принципа действия манометрического термометра положена зависимость между температурой и давлением термометрического (рабочего) вещества, лишенного возможности свободно расширяться при нагревании.
Манометрические термометры обычно включают в себя термобаллон, капиллярную трубку и трубчатую пружину с поводком, зубчатым сектором и стрелкой. Вся стистема заполняется рабочим веществом. При нагревании термобаллона, установленного в зоне измеряемой температуры, давление рабочего вещества внутри замкнутой системы увеличивается. Увеличение давления воспринимается манометрической пружиной, которая воздействует через передаточный механизм на стрелку или перо прибора.
Газовые манометрические термометры основаны на зависимости температуры и давления газа, заключенного в герметически замкнутой термосистеме.
Достоинства: шкала прибора практически равномерна.
Недостатки: сравнительно большая инерционность и большие размеры термобаллона.
5. Электрические термометры
Принцип действия этого типа термометров основан на зависимости термо-ЭДС (ТЭДС) цепи от изменения температуры.
В термоэлектрической цепи, состоящей из двух проводников А и В (см. рис. 2.1) возникают 4 различные ТЭДС: 2 ТЭДС в местах спаев проводников А и В, ТЭДС на конце проводника А и ТЭДС на конце проводника В. Суммарная ТЭДС, возникающая при нагреве спаев проводников до температур t и t0:
EAB(t t0) = eAB(t) + eBA(t0),
где eBA и eAB - ТЭДС, обусловленная контактной разностью потенциалов и разностью температур концов А и В.
ТЭДС EAB(t t0) является функцией от температуры горячего спая t при условии постоянства температуры холодного спая t0.
Термопары градуируются при определенной постоянной температуры t0 (обычно t0=0 °C или 20 °C). При измерениях температура t0 может отличаться от градуировочного значения. В этом случае вводится соответствующая поправка в результат измерения:
EAB(t t0) = EAB(t t0’) + EAB(t0’t0).
Поправка EAB(t0’t0) равна ТЭДС, которую развивает данная термопара при температуре горячего спая t0’ и градуировочном значении температуры холодных спаев. Поправка берется положительной, если t0’ > t0 и отрицательной, если t0’ < t0.
Величина поправки может быть взята из градуировочной таблицы.
Конструктивное исполнение термопар разнообразно и зависит главным образом от условий их применения. При необходимости измерения небольшой разницы температур или получения большой ТЭДС применяются дифференциальные термопары и термобатареи, представляющие собой несколько последовательно соединенных термопар.
Компенсация изменения температуры холодных спаев термопар. Правильное измерение температуры возможно лишь при постоянстве температур свободных спаев t0. Оно обеспечивается с помощью соединительных проводов и специальных термостатирующих устройств. Соединительные провода в данном случае предназначены для переноса свободных концов термопары в зону с известной постоянной температурой, а также для подсоединения свободных концов термопары к зажимам измерительных приборов. Соединительные провода должны быть термоэлектрически подобны термоэлектродам термопары.
Как правило, соединительные провода для термопар, изготовленных из неблагородных металлов, выполняются из тех же самых материалов, что и термоэлектроды. Исключение составляет хромель-алюмелевая термопара, для которой с целью уменьшения сопротивления линии в качестве соединительных проводов применяется медь в паре с константаном.
Градуировки термопар: ХА - хромель-алюмелевые; ХК - хромель-копелевые;
ПП - платинородий-платиновые и т.д.
Требования к термопарам:
1) воспроизводимость,
2) высокая чувствительность,
3) надежность,
4) стабильность,
5) достаточный температурный диапазон.
Таблица 3.1 - Материалы, используемые для изготовления термопар.
| Название | Состав |
ТЭДС, мВ (при t0 = 0 °C и t1 = 100 °C) |
Максимальный темпер. предел, °C |
| хромель | 10% Cr + 90 % Ni | +2,95 | 1000 |
| платинородий | 90 % Pt + 10 % Rh | +0,86 | 1300 |
| медь | Cu | +0,76 | 350 |
| платина | Pt | 0 | 1300 |
| алюмель | 95 % Ni + 5 % Al | -1,2 | 1000 |
| копель | 56 % Cu + 44 % Ni | -4 | 600 |
| константан | 60 % Cu + 40 % Ni | -3,4 | 600 |
Методы и средства для измерения ТЭДС:
1) Метод непосредственной оценки ( с помощью милливольтметра);
2) Компенсационный метод (с помощью потенциометров).
6 Термометры сопротивления
Измерение температуры термосопротивлениями основано на свойстве проводников и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление при изменении температуры.
Вид функции R = f(t) зависит от природы материала. Для изготовления чувствительных элементов серийных термосопротивлений применяются чистые металлы, к которым предъявляются следующие требования:
а) металл не должен окисляться или вступать в химические реакции с измеряемой средой;
б) температурный коэффициент электрического сопротивления металла a должен быть достаточно большим и неизменным;
в) функция R = f(t) должна быть однозначна.
Наиболее полно указанным требованиям отвечают: платина, медь, никель, железо и др.
Основной недостаток термосопротивлений: большая инерционность (до 10 мин.).
Для измерения температуры наиболее часто применяются термосопротивления типов ТСП (платиновые) и ТСМ (медные).
Контрольные вопрос:
1. Какие виды термометров вы знаете?
2. Как устроен жидкостный термометр?
3.Что такое биметаллические термометры?
4.На чём основаны электрические термометры?
5.Отличия ТСП от ТСМ.
Литература
1. Кулаков М.В. Технические измерения и приборы для химических производств. М.: Машиностроение, 1983. - 424 с.
2. Никитенко Е.А. автоматизация и телеконтроль электрохимической защитой магистральных газопроводов. М.: Недра, 1976.
3. Полоцкий Л.М., Лапшенков Г.И. Автоматизация химических производств. Учеб. пособ. -М.: Химия, 1982. - 296 с.
4. Теория автоматического управления / Под ред. Нетушила А.В. Ч.1. -М.: Высш. шк., 1968.
5. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория автоматического регулирования. -М.: Наука, 1966.
6. Дадаян Л.Г. Автоматизация технологических процессов: методические указания к курсовому и дипломному проектированию. -Уфа.: Изд-во УНИ, 1985. - 225 с.
{/spoilers}
