книги / Теплотехнические измерения и приборы

сдиапазоном измерения и —12СГС начальное давление равно при­ мерно 2,6 кгс/см2 (0,26 МПа), а прирост давления при 120° С равен 43,7 кгс/см2 (4,37 МПа). При диапазоне измерения 20—120СС начальное давление равно примерно 4,9 кгс/см2 (0,49 МПа), а при­ рост давления при температуре 120°С равен 41,5 кгс/см2 (4,15 МПа). Термобаллон конденсационных термометров имеет небольшие по сравнению с газовыми термометрами размеры (длина 78, диаметр 16 мм). Длина соединительного капилляра от 0,6 до 25 м.

Характерной особенностью конденсационных термометров явля­ ется значительная неравномерность шкалы. Для линеаризации статической характеристики и, следователь­ но, получения равномерной шкалы некото­ рые типы манометрических конденсацион­ ных термометров (например ТГ1П2-1) снаб­ жаются специальным дополнительным уст­ ройством (рис. 3-2-4). Упоры 1 дополни­ тельного устройства 2 подводятся к мано­ метрической пружине 3 с внешней стороны так, что при ее раскручивании пружина последовательно ложится на них, начиная

супора, расположенного рядом с ее за­

крепленным концом. При этом постепенно все большая часть длины пружины исклю­ чается из работы, а вместе с тем вводится нелинейность, которая противоположна не­ линейности изменения давления насыщен­ ного пара в термосистеме от температуры. Это и обеспечивает получение равномерной шкалы конденсационного термометра.

Другой характерной особенностью кон­ денсационных термометров является то, что рабочее давление в термосистеме для дан­ ного конденсата зависит только от диапа­ зона измерения и изменения давления на­

сыщенного пара этого конденсата от температуры. Другие же параметры термометра не оказывают влияния на рабочие давле­ ния в его термосистеме. Поэтому изменение показаний термо­ метра, вызываемое отклонением температуры окружающего воз­ духа от 20°С, обусловливается главным образом изменением модуля упругости материала применяемой манометрической пружины и значением допускаемого непостоянства показаний прибора.

Показания конденсационных термометров зависят от высоты расположения термобаллона (выше или ниже) по отношению к кор­ пусу прибора, а также и от изменения атмосферного давления.

Зависимость показаний конденсационного термометра от высоты расположения термобаллона по отношению к корпусу прибора имеет место в том случае, когда по условиям измерений в мано­ метрической пружине и капилляре рабочее вещество находится

в жидкой фазе. Это имеет место в тех случаях, когда температура среды, в которую погружен термобаллон, выше температуры воз­ духа, окружающего корпус прибора и капилляр. Если в этом

жены. При этом погрешность показаний термометра в начале шкалы будет больше, чем в конце шкалы, так как в последнем случае давление столба рабочей жидкости в капилляре будет весьма малой долей общего давления в термосистеме. Например, для термометра с диапазоном измерения 0—120°С, термосистема кото­ рого заполнена хлористым метилом, при расположении термобал­ лона выше корпуса прибора на 10 м погрешность при 40°С равна +3,9°С, а при 110°С —+1,3°С. Атмосферное давление в слу­ чае его изменения нагружает или разгружает манометрическую пружину термометра, вызывая скручивание или распрямление ее, что и обусловливает изменение показаний термометра. Если увеличение или уменьшение атмосферного давления будет иметь малое значение по сравнению с давлением в термосистеме, то с влия­ нием его можно не считаться. Например, при измерении темпера­ туры от 60 до 120°С термометром, заполненным хлористым мети­

Термометры жидкостные. Для заполнения термосистемы жид­ костных манометрических термометров применяют пропиловый алкоголь, метансилол, силиконовые жидкости и т. п. Для жид­ костных термометров длина соединительного капилляра 0,6— 10 м.

Термометры жидкостные позволяют измерять температуру от *—150 до +300°С. Они выпускаются с различными диапазонами измерения температуры в указанном интервале. Шкала жидкост­ ных термометров получается практически равномерной.

Термометры жидкостные существенно отличаются от газовых и конденсационных, так как жидкости, применяемые в качестве заполнителей, практически несжимаемы. В термометрах этого типа объем термобаллона для данной рабочей жидкости должен быть согласован с диапазоном измерения прибора, с изменением объема внутренней полости манометрической пружины при рабочем ходе свободного конца ее [см. (10-2-8)], а вместе с тем и с измене­ нием давления в термосистеме [см. (10-2-7)].

При нагреве термобаллона от t„ до tK жидкость расширяется, а термобаллон увеличивает свой объем. Вследствие этого при нагреве термобаллона из него будет вытесняться рабочая жид­ кость объемом

где V — внутренний объем термобаллона, м3; Р *— объемный коэф­ фициент расширения жидкости, К-1; а *— коэффициент линейного расширения материала термобаллона, К"1.

Вытесненный из термобаллона объем жидкости АV вследствие охлаждения от tKдо температуры окружающего воздуха tB умень­ шится до значения ДКВ. При этом настолько же увеличит мано­ метрическая пружина объем своей внутренней полости ДУ„. В этом случае имеем:

1 + Р ((к — (в)

Решая это уравнение относительно V, получаем:

Из выражения (3-2-6) видно, что чем больше диапазон изме­ рения жидкостного термометра, тем меньше должен быть внутрен­ ний объем термобаллона при одинаковых прочих условиях. Напри­ мер, для жидкостных термометров с диапазоном измерения 40—80°С длина корпуса термобаллона LaT = 110 мм, а с диапазоном изме­ рения 60*—310°С La т = 18 мм. Диаметр термобаллона в том и дру­ гом случае dt — 12 мм.

В жидкостных термометрах рабочее давление в термосистеме в отличие от конденсационных и газовых не связано строгой зави­ симостью с t,„ tK и начальным давлением. Для жидкостных тер­ мометров определяющее значение имеет ДК,„ так как в манометри­ ческих пружинах различной жесткости необходимое значение ДУПможет быть получено при различных давлениях (см. гл. 10). Чем больше жесткость пружины, тем больше должно быть рабо­ чее давление для получения необходимого значения ДУП. Изме­ нение атмосферного давления на показания жидкостных термо­ метров практически не влияет.

Для уменьшения дополнительной температурной погрешности жидкостных термометров применяют манометрические пружины с новым профилем сечения (рис. 3-2-1, в) и термобиметаллический компенсатор (рис. 3-2-1, а и 3-2-3).

Основные метрологические характеристики манометрических термометров. Манометрические термометры рассчитаны на работу при температуре окружаю­ щего воздуха от 5 до 50°С и относительной влажности до 80%. Согласно ГОСТ 8624-71 термометры изготовляют следующих классов точности: 1,0; 1,5; 2,5 и 4. Класс точности конденсационных термометров устанавливается для последних двух третей температурной шкалы; на первой трети шкалы класс точности должен быть не ниже последующего класса точности.

Изменение показаний манометрических термометров, вызываемое влиянием температуры окружающего воздуха при отклонении ее от 20°С, до любого зна­ чения в интервале от 5 до 50°С не должно превышать значения, вычисленного по формуле

где б/ — изменение показаний термометра, выраженное в % диапазона измере­ ния; х — значение допускаемого непостоянства показании термометра, равное половине предела допускаемой основной погрешности, %; ах — температурный коэффициент термометра в % на °С (для газовых 0,05; для конденсационных 0,04; для жидкостных 0,075 и для приборов со специальным заполнителем 0,035); Дt — абсолютное значение отклонения температуры окружающего воздуха от 20°С.

3-3. Дилатометрические и биметаллические термометры

Дилатометрические и биметаллические термометры основаны на использовании свойства твердого тела изменять свои линей­ ные размеры при изменении температуры. Если температурный интервал невелик, то зависимость длины твердого тела от тем­

линейного расширения твердого тела от 0°С до /, °С-1.

Значения средних коэффициентов линейного расширения для некоторых материалов приведены в табл. 3-3-1.

Т а б л и ц а 3-3-1

Средние коэффициенты линейного расширения материалов

Дилатометрические термометры. Термометры этого типа, не­

нии температуры среды труба удлиняется больше, чем стержень, вследствие чего стержень перемещается вниз. При перемещении

зуется термобиметаллическая пластина 1 (рис. 3-3-3). Эта пла­ стина состоит из двух слоев разнородных металлов, обладающих различными коэффициентами линейного расширения (например,

защиты пластин от действия среды, температура которой контро­ лируется, они помещены в гильзу 5.

Область применения биметаллических температурных реле ле­ жит в интервале от —60 до 300°С в зависимости от марки исполь­ зуемого биметалла. Термобиметалл, кроме того, находит широкое применение для целей температурной компенсации в различных измерительных приборах.

Г Л А В А Ч Е Т В Е Р Т А Я

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУР

4-1. Общие сведения

Термоэлектрический метод измерения температур основан на строгой зависимости термоэлектродвижущей силы (термо-э. д. с.) термоэлектрического термометра от температуры.

Термоэлектрические термометры широко применяются для изме­ рения температур до 2500°С в различных областях техники и в науч­ ных исследованиях. Они могут использоваться для измерения тем­ пературы от <—200°С, но в области низких температур термоэлек­ трические термометры получили меньшее распространение, чем

термометры сопротивления, рассматриваемые в гл. 5. В области высоких температур (выше 1300—1600°С) термоэлектрические тер­ мометры находят применение главным образом для кратковремен­ ных измерений; для длительного же измерения высоких температур они применяются только в отдельных особых случаях.

Следует иметь в виду, что с ростом температуры возрастает влияние агрессивных свойств среды и продолжительность работы термоэлектрических термометров быстро снижается. Созданию надежных высокотемпературных термоэлектрических термометров для длительного применения уделяется в настоящее время боль­ шое внимание как у нас, так и за границей.

К числу достоинств термоэлектрических термометров следует отнести достаточно высокую степень точности, возможность центра­ лизации контроля температуры путем присоединения нескольких термоэлектрических термометров через переключатель к одному измерительному прибору, возможность автоматической записи измеряемой температуры с помощью самопишущего прибора, воз­ можность раздельной градуировки измерительного прибора и тер­ моэлектрического термометра.

4-2. Основы теории термоэлектрических термометров

В основу измерения температур с помощью термоэлектрических, термометров положены термоэлектрические явления,* открытые Зеебеком в 1821 г. Применение этих явлений к измерению тем­ ператур основано на существовании определенной зависимости между термо-э. д. с., устанавливающейся в цепи, составленной из разнородных проводников, и температурами мест их соединения. Если взять цепь (рис. 4-2-1), составленную из двух различных тер­ моэлектрически однородных по длине проводников А и В (напри­ мер, меди и платины), то при подогреве спая 1 в цепи появляется электрический ток, который в более нагретом спае 1 направлен от платины В к меди Л, а в холодном спае 2 — от меди к платине. При подогреве спая 2 ток получает обратное направление. Такие токи называются термоэлектрическими. Электродвижущая_сила,

создающий ее преобразователь — термоэлектрическим первичнымлреобразователем или термометром (упо­ треблявшееся название — термопара).

Для объяснения механизма возникновения термо- э. д. с. воспользуемся электронной теорией, которая

основывается на представлении о наличии в металлах А свободных электронов. В различных металлах плрт-

родных проводников (t > i0).

Для цепи из трех различных однородных проводников А, В и С (рис. 4-2-2), места соединений которых имеют одну и ту же температуру t, будем иметь:

т. е. сумма контактных термо-э. д. с. в замкнутой цепи из трех различных однородных проводников при одной и той же темпера­ туре мест их соединения равна нулю.

Из этого также следует, что

по отношению к третьему, то этим самым определяется и контакт­

термо-э. д. с. в подобной цепи не равнялась нулю, то в цепи был бы термоток. Если бы в цепи имелся термоток, то часть цепи стала бы нагреваться, а другая ■— охлаждаться, это означало бы, что отвод и подвод тепла осуществляется без затраты работы. Этопротиворечит второму закону термодинамики и приводит к выводу, что сумма контактных термо-э. д. с. в такой цепи равна нулю.

В замкнутом термоэлектрически однородном по всей длине проводнике независимо от размеров и формы его при неодинаковом нагреве его частей не возникает термотока. Однако из этого не сле­ дует, что в нем не возникает термо-э. д. с. На основании общего представления о возникновении этих сил вполне возможно допу­ стить появление разности потенциалов в двух поперечных сечениях однородного проводника, когда температура этих сечений отлича­ ется на dt. Учитывая уравнение (4-2-1), имеем:

de= df (t);

отсюда для замкнутого однородного проводника, неодинаково нагретого, получаем:

t

так как места замыкания имеют равную температуру t*

В незамкнутом однородном проводнике, если он неравномерно нагрет, на его концах может возникнуть разность потенциалов Ле:

которая зазисит только от температур концов проводника и не за­ висит от распределения температуры по его длине.

Сказанное выше приводит к выводу, что термо-э. д. с., возни­ кающая в термоэлектрической цепи (рис. 4-2-1), зависит лишь от температуры мест соединения 1 и 2 различных термоэлектри­ чески однородных по всей длине проводников А и В и от их при­ роды и не может зависеть от распределения температур в каждом ее отдельном термоэлектрически однородном проводнике. Однако получить на практике термоэлектрически однородные по всей длине проводники, особенно из сплавов неблагородных металлов, не легко. Необходимо также иметь в виду, что и химически однородный проводник становится источником паразитных термо-э. д. с., когда его части отличаются друг от друга физическим состоянием. Напри­ мер, термо-э. д. с. термоэлектрического термометра может изме­ ниться, если термоэлектроды подвергаются действию магнитного поля или механическим воздействиям (сжатию, растяжению, кру­ чению). Следует обратить внимание и на то, что металлы в отпущен­ ном состоянии обычно имеют иное значение термо-э. д. с., чем в закаленном. Это особенно проявляется у сплавов. Местные загряз­ нения термоэлектрода также изменяют его термоэлектрические свойства. Если термоэлектрический термометр будет изготовлен из электродов с некоторой степенью термоэлектрической неодно; родности, то при погружении в среду с неравномерным температур­ ным полем образующиеся в нем паразитные термо-э. д. с. будут искажать его суммарную термо-э. д. с. тем больше, чем больше степень их неоднородности. Значение паразитной термо-э. д. с. зависит также и от степени неравномерности температурного поля среды.

На основании вышеизложенного мы можем написать основное уравнение термоэлектрического термометра, выражающее в общем виде зависимость суммарной термо-э. д. с., возникающей в цепи из двух разнородных термоэлектродов А и В, оттемпературы мест их соединения:

т. е. термо-э. д. с. термоэлектрического термометра (цепи из двух разнородных проводников), места соединений которых имеют раз­ ные температуры, равна разности контактных термо-э. д. с.