книги / Теплотехнические измерения и приборы

температура которой измеряется, полностью. При выборе шкалы технических термометров необходимо одновременно выбрать длину и форму нижней его части. Пределы допускаемых погрешностей показаний термометров устанавливаются в зависимости от диапа­ зона измерений температур, цены деления и термометрической жидкости.

Технические термометры электроконтактные. Термометры ртут­ ные электроконтактные применяются для целей сигнализации и регулирования (в простейших схемах) температуры в лаборатор­ ных и промышленных условиях. Электроконтактные термометры изготовляют с постоянными впаянными контактами или с одним подвижным контактом, который можно перемещать внутри капил­ ляра при помощи специального магнитного устройства (настройка термометра), и вторым неподвижным контактом, впаянным в капил­ ляр термометра. Замыкание (размыкание) электрической цепи между контактами в том и другом случаях происходит вследствие расши­ рения (сжатия) ртути при нагревании (охлаждении) нижней части термометра. Пространство над ртутью в капилляре заполняют водородом, предварительно очищенным от влаги и кислорода.

Электроконтактные термометры, рассматриваемые ниже, могут работать в цепях постоянного и переменного тока. Определение действительного значения температуры контактирования и кон­ троль за правильностью поддержания температуры должны осуще­ ствляться по контрольному термометру.

Термометры электроконтактные стандартные изготовляются пря­ мые и угловые •— изогнутые под углом 90°. При установке термо­ метров непосредственно в аппаратах, агрегатах, трубопроводах и т. п. во избежание поломок рекомендуется заключать их в защит­ ную оправу.

На рис. 3-1-4 показан термометр ртутный электроконтактный типа ТЭК со вложенной шкалой и постоянными впаянными в капилляр металлическими контактами, к которым припаяны медные провода, присоединенные к зажимам, смонтированным на корпусе термометра. Количество заданных температур кон­ тактирования для термометров типа ТЭК в интервале температур от —35 до +30(гС можетбытьодно (рис. 3-1-4), дваили три. Контакты впаиваются в капилляр термометра в местах, соответствующих определенным значениям температур контактирования, которые задаются в зависимости от требований технологиче­ ского процесса. Минимальные интервалы между двумя соседними контактами обычно выполняются не менее 5, 10, 20 и 30°С для температур контактирования соответственно до 50, 100, 200 и 300° С.

Допускаемая погрешность показаний по шкале термометра типа ТЭК не должна превышать цены наименьшего деления. При применении этих термо­ метров нижня часть его /погружается в среду, температура которой контроли­ руется полностью. Поэтому при выборе шкалы термометра типа ТЭК, а вместе с тем и температуры контактирования необходимо одновременно выбирать длину и форму нижней его части.

Рассмотрим электроконтактный ртутный термометр с магнитной переста­ новкой контакта типа ТПК (рис. 3-1-5). Он имеет две шкалы — верхнюю и ниж­ нюю. Верхняя вспомогательная шкала нанесена на шкальной пластине вдоль овальной стеклянной трубки /, припаянной к капилляру 2. Указателем этой шкалы при настройке термометра является овальная гайка 5, которая может перемещаться по микровинту 4 вверх и вниз. Верхний конец микровинта жестко

капилляр в местах, соответствующих определенным значениям температур кон­ тактирования, которые задаются в зависимости от требований технологического процесса. Например, температура контактирования для термометров, предназна­ ченных для сигнализации температуры подшипников двигателей идругих машин, выбирается обычно равной 65°С.

За верхним контактом термометр имеет запасную длину капилляра, допу­ скающую увеличение объема ртути при повышении температуры выше контактируемой на 20°С. Электроконтактные палочные термометры могут работать в цепях постоянного и переменного тока. Допускаемая разрывная мощность контактов не должна превышать 2 Вт при силе тока не более 0,2 А.

Смещение нулевой точки. Стекло относится к материалам, обладающим значительным термическим последействием. Вследствие этого при охлаждении после временного нагрева резервуар термо­ метра не сразу принимает тот объем, который соответствовал пер­ воначальной температуре. Кроме того, в стекле в течение долгого времени после того, как оно было нагрето до размягчения, проис­ ходят молекулярные перемещения, в результате чего объем резер­ вуара вновь изготовленного термометра уменьшается очень мед­ ленно. Такое явление называется естественным старением. Это приводит к постепенному смещению нулевой точки. Последнее может быть в значительной степени уменьшено искусственным старением, т. е. продолжительным нагревом (отжигом) термометра до темпера­ туры, соответствующей верхнему пределу шкалы, с постепенным охлаждением его до температуры воздуха в помещении.

Поэтому при применении точных и повышенной точности лабо­ раторных термометров рекомендуется производить поверку нуле­ вой точки. При этом перед поверкой термометр должен быть нагрет до температуры, соответствующей верхнему значению его шкалы.

то ко всем поправкам в свидетельстве надо алгебраически доба­ вить значение At:

tô —положение нулевой точки, вновь найденное опытным путем.

Пример . Поправка в свидетельстве, относящаяся к 300°С, равна —0,2°С, положение нулевой точки f0 = —0,1®С. Положение нулевой точки, вновь най­ денное, <JJ= +0,1°С. Согласно (3-1-1)

Д * = — 0 . 1 - ( + 0 , 1 ) = — 0,2 °С.

Новая поправка в точке 300°С будет равна:

- 0 ,2 + (— 0,2) = — 0.4°С.

Введение поправок в показания термометра. Если при измере­ нии температуры лабораторный термометр, предназначенный для полного погружения, не может быть погружен в среду, темпера­ тура которой измеряется, до отсчитываемого деления, то следует вводить поправку в его показания на выступающий столб. Эта поправка указывает, насколько показания термометра меньше (или больше) той температуры, которую термометр показал бы

При измерении температуры ртутным термометром повышен­ ной точности с диапазоном измерения О—50°С и ценой деления 0,1°С точность результата измерения (погрешности, обусловленные усло­ виями измерения, отсутствуют) оценивается .допускаемой погреш­ ностью термометра, т. е. г+гО,2°С. Если при измерении температуры такая точность не удовлетворяет, то следует производить много­ кратные измерения, вычислять среднее арифметическое значение результатов наблюдения (§ 1-4). Для исключения систематической (инструментальной) погрешности необходимо в результаты изме­ рения ввести поправку на основании данных свидетельства, выдан­ ного поверочным учреждением. В этом случае неточность резуль­ тата измерения оценивается средней квадратической погрешностью. По опытным данным средняя квадратическая погрешность в этом случае составляет 0,02°С.

Термометры технические обычно градуируются при постоянной глубине погружения нижней его части. На таких термометрах должна быть указана нормальная глубина погружения и температура /„ выступающей части термометра при его градуировке. Если темпе­ ратура выступающей части & при пользовании термометром значи­ тельно отличается от температуры /„ при его градуировке, то для приведения показаний термометра к температуре выступающей части tKнеобходимо к показаниям термометра алгебраически при­

где т <— число градусов, отсчитываемое по термометру при нор­ мальной глубине его погружения; (Î — коэффициент видимого расширения жидкости в термометрическом стекле (табл. 3-1-1). Учет этой поправки особенно необходим для термометров с органи­ ческим наполнением. При пользовании техническими термометрами, длина нижней части которых превышает 700—800 мм, необходимо иметь в виду, что показания их верны только при полном погруже­ нии нижней части в среду с одинаковой температурой.

3-2. Термометры манометрические

Общие сведения и устройство термометров. Действие мано­ метрических термометров основано на использовании зависимости между температурой и давлением рабочего (термометрического) вещества в замкнутой герметичной термосистеме. Манометрические термометры являются техническими приборами и в зависимости от рабочего вещества термосистемы они подразделяются на газо­ вые, жидкостные и конденсационные (парожидкостные). В зави­ симости от рабочего вещества термосистемы их применяют для изме­ рения температуры жидких и газообразных сред от — 150 до 600°С. Термометры со специальным заполнителем предназначены для измерения температуры от 100 до 1000°С (ГОСТ 8624-71).

Манометрические термометры изготовляют показывающие и самопишущие. Самопишущие термометры выпускаются с дисковой

й ленточной диаграммной бумагой. Привод диаграммной бумаги осуществляется синхронным двигателем, а в некоторых модифика­ циях термометров часовым механизмом. Манометрические термо­ метры выпускаются с односторонней, двусторонней и безнулевой шкалой.

Термометры манометрические изготовляются с дополнительным устройством для сигнализации (или регулирования) температуры. Некоторые типы термо­ метров снабжаются передающим пре­ образователем с выходным унифици­ рованным сигналом постоянного тока О—5 мА или пневматическим передаю­ щим преобразователем с выходным унифицированным пневматическим сиг­ налом 0,2—1 кгс/см2 (0,02—0,1 МПа).

Показывающие и самопишу­ щие манометрические термомет­ ры могут быть использованы для измерения температур во взрыво­ опасных помещениях. В этом случае привод диаграммной бу­ маги осуществляется часовым механизмом. Если в этих усло­ виях необходимо иметь термо­ метр с дистанционной передачей показаний на вторичный при­ бор, то она должна быть пневма­ тической.

Схема устройства показываю­ щего манометрического термо­ метра представлена на рис. 3-2-1. Термосистема термометра (рис. 3-2-1, а) состоит из термобал­ лона 1, погружаемого в среду, температура которой измеряет­ ся, капилляра 2 и манометриче­ ской пружины 3. Один конец пружины впаян в держатель 4, канал которого соединяет внут­ реннюю полость манометриче­

ской пружины через капилляр с термобаллоном. Второй свобод­ ный конец пружины герметизирован и шарнирно с помощью по­ водка 5 связан с сектором 6. Этот сектор в свою очередь соеди­ нен зубчатым зацеплением с трибкой 7, на оси которой насажена указательная стрелка 8. Для выбора зазора в передаточном ме­ ханизме установлен спиральный волосок 9, конец внутреннего витка которого закреплен на оси трибки.

Термосистема термометра заполнена рабочим веществом, на­ пример газом (или жидкостью), под некоторым начальным давле­ нием. При нагревании термобаллона увеличивается давление газа

в замкнутой герметизированной термосистеме, в результате чего пружина деформируется (раскручивается) и ее свободный конец перемещается. Движение свободного конца пружины передаточным механизмом (поводком, сектором и трибкой) преобразуется в пере­ мещение указателя относительно шкалы прибора. По положению указателя на шкале термометра производят отсчет температуры.

Следует отметить, что в отличие от газовых и жидкостных термометров у конденсационных (парожидкостных) термометров термобаллон (рис. 3-2-1, б) частично заполнен конденсатом (при­ мерно на 0,7-—0,75 объема), а в верхней части термобаллона над конденсатом находится насыщенный пар этой жидкости. Кроме того, капилляр у этих термометров вставлен на некоторую глубину внутрь термобаллона. Манометрическая пружина и капилляр тер­ мометра заполнены тем же конденсатом, что и термобаллон. Давле­ ние в термосистеме конденсационного термометра равно давлению насыщенного пара в термобаллоне. При этом зависимость между давлением насыщенного пара и температурой является вполне определенной, однозначной и известной для конденсата, которым заполнена термосистема термометра. При нагревании термобаллона термометра часть конденсата в его паровом объеме с зеркала испа­ ряется, изменяя давление насыщения до значения, соответствую­ щего температуре конденсата в термобаллоне. Это в свою очередь вызывает повышение давления в термосистеме термометра, под действием которого пружина раскручивается и ее свободный конец

спомощью передаточного механизма перемещает стрелку.

Ввыпускаемых казанским заводом «Теплоконтроль» показываю­ щих манометрических термометрах используется манометрическая пружина с новым профилем сечения (рис. 3-2-1, в). Отличительной особенностью этого профиля по сравнению с ранее применяемыми овальными, плоскоовальными и др. (рис. 3-2-1, г) является нали­

чие среднего пережатого участка, на котором зазор между стен­ ками отсутствует. По боковой кромке сечения расположены два канала каплевидной формы, которые повышают механическую прочность пружины.

Следует отметить, что внутренний объем пружин со средним пережатым участком и колебания размера его минимальны, что уменьшает температурную погрешность термометра и обеспечивает стабильность ее значений. Изменяя большую ось сечения этой пру­ жины получают оптимальное соотношение между начальным внутрен­ ним объемом ее и приращением этого объема при раскручивании пружины на рабочий угол.

туры пружины от нормальной (20°С), достигается введением тер­ мобиметаллического компенсатора 10 в поводок передаточного механизма (рис. 3-2-1, а)$ Капилляр термометров изготовляют из латуни или стали наружным диаметром 2,5 и внутренним 0,35 мм. Длина капилляра термометра бывает различной, но она находится

обычно в пределах следующего ряда: 1; 1,6; 2,5; 4; 6; 10; 16; 25; 40 и 60 м. Капилляр, идущий от корпуса прибора к термобаллону, помещают в защитную металлическую оболочку, предохраняю­ щую его от повреждений. Для изготовления термобаллона и его хвостовика в настоящее время применяют сталь марки 1Х18Н9Т. Применение этой стали дало возможность изготовлять термобаллоны термометров на условное давление до 64 кгс/см2 (6,4 МПа) без защитной гильзы и лишь на условное давление среды, температура которой измеряется, от 64 до 250 кгс/см2 (6,4—25 МПа) <— с защитной гильзой.

Выпускаются электроконтактные показывающие мано-

метрические термометры, выполняемые по схеме рис. 3-2-1, а и используемые для сигнализации о достижении предельных зна­ чений температур.

Манометрические термометры с безнулевой шкалой снабжаются корректором для регулировки начальной отметки шкалы прибора. Схема корректора термометра, состоящего из винтовой пружины и регулировочного винта, показана на рис. 3-2-2.

Схема устройства самопишущего манометрического термометра показана на рис. 3-2-3. Спиральная манометрическая пружина 1 с пережатым профилем сечения (рис. 3-2-1, в), впаянная одним концом в держатель 2, вторым свободным концом с помощью скобы 3 шарнирно соединена с поводком 4, снабженным термобиметалличе­ ским компенсатором 5. Второй конец поводка шарнирно соединен с рычагом 6, связанным с осью 7 рычага пера. К каналу держателя, соединяющему внутреннюю полость спиральной пружины, при­ паян капилляр 8, который вторым своим концом герметично соеди­ нен через хвостовик с термобаллоном 9, погружаемым в среду, температура которой измеряется.

Привод диаграммного устройства осуществляется с помощью синхронного двигателя 10 или часового механизма. Дисковая диа-

грамма в серийно выпускаемых приборах рассчитана на один обо­ рот в сутки.

Самопишущий термометр с двумя термосистемами дает возмож­ ность одновременно производить запись на диаграммной бумаге температуры двух сред. Самопишущие термометры такого типа, снабженные приспособлением для увлажнения одного из термо­ баллонов, могут быть использованы в качестве психрометров для одновременного измерения температуры и влажности газовой среды.

При применении манометрических конденсационных и жидкост­ ных термометров необходимо иметь в виду, что изменение высоты положения термобаллона относительно манометрической пружины может вызвать изменение показаний термометра.

Термометры газовые. Манометрические газовые термометры позволяют измерять температуру от —150 до +600°С. В качестве рабочего вещества в газовых термометрах используется азот. Перед заполнением всей термосистемы термометра азотом термо­ система и газ должны быть хорошо просушены. Длина соедини­ тельного капилляра этих термометров 0,6—60 м.

=0,003661 К-1, а для азота р = (0,003661—0,000013р0) Кг1]. При изменении температуры газа в термобаллоне термометра

от tn до tKбудет изменяться и давление газа в соответствии с выра­ жением

где рн и рк — давление газа при температуре, соответствующей началу /н и концу ^ шкалы термометра.

Вычитая и прибавляя к правой части уравнения (3-2-2) зна­ чение рнргн> после несложных преобразований получаем:

Из этого выражения видно, что размер рабочего давления Др в термосистеме газового термометра прямо пропорционален значе­ нию начального давления рн и диапазону измерения (tK— tu) прибора. Следует отметить, что при повышении температуры термо­ баллона термометра объем термосистемы его увеличивается в основ­ ном за счет расширения термобаллона и увеличения объема внут­ ренней полости манометрической пружины. При увеличении тем­ пературы газа, а вместе с тем и давления его происходит частичное перетекание газа из термобаллона в капилляр и манометрическую пружину. При понижении температуры газа в термобаллоне будет

происходить обратный процесс. Вследствие этого при измерении температуры газовым термометром постоянство объема газа в тер­ мосистеме не сохраняется. Поэтому зависимость между давлением газа в термосистеме и его температурой незначительно отклоняется от линейной и действительное давление газа в термосистеме при температуре tK будет меньше подсчитанного по формуле (3-2-2). Однако эта нелинейность зависимости между р и t не играет суще­ ственной роли и шкала газового термометра получается практи­ чески равномерной.

Для увеличения рабочего давления Ар (3-2-3) термосистему газового термометра заполняют азотом под некоторым начальным давлением р„ в зависимости от диапазона измерения температуры

вызываемого отклонением температуры окружающего воздуха от 20°С, устанавливают термобиметаллический компенсатор в тягу передаточного механизма (рис. 3-2-1, а и 3-2-3), а также стремятся уменьшить отношение внутреннего объема пружины и капилляра к объему термобаллона. Это достигается увеличением объема, а следовательно, и размеров термобаллона. Например, при длине капилляра от 1,6 до 2,5 м длина корпуса термобаллона термометра выполняется равной 125 мм, а при длине капилляра до 40 м—500 мм. Диаметр термобаллона в том и другом случае равен 20 мм. Ввиду больших размеров термобаллона газовые термометры не везде могут быть применены.

Конденсационные термометры. Манометрические конденсацион­

что однозначная зависимость давления насыщенного пара от тем­ пературы имеет место только до определенной температуры, назы­ ваемой критической. Вследствие этого верхний предел шкалы мано­ метрического конденсационного термометра должен быть всегда ниже критической температуры /кр данного рабочего конденсата. В этом случае рабочее давление в термосистеме термометра также не будет превышать критического давления ркр для выбранного конденсата.

Начальное давление в термосистеме конденсационного термо­ метра для данного рабочего конденсата определяется температурой начальной отметки шкалы и равно давлению насыщенного пара при этой температуре. Например, при использовании хлористого