Технические измерения и приборы

Рисунок 10– Биметаллический термометр

Биметаллический термометр выполняется в виде изогнутой биметаллической пластины 1, состоящей из соединенных между собой двух полос с различными коэффициентами линейного расширения. Биметаллическая пластина одним концом жестко закреплена в основании, другой ее конец рычагом 2 связан со стрелкой, перемещающейся по шкале прибора. При повышении температуры – биметаллическая пластина изгибается в сторону металла с меньшим коэффициентом линейного расширения.

Деформационные термометры изготавливаются на диапазон измерений от -150 ºС до +700 ºС. Класс точности от 1 до 2.

Деформационные термометры используются в тепловых реле, в устройствах сигнализации влияния окружающей среды.

5.2 Манометрические термометры

Принцип действия основан на изменении давления газа, жидкости или парожидкостной смеси находящейся в замкнутом объеме при изменении температуры.

Манометрический термометр  состоит из манометра 1, термобаллона 2 и капиллярной трубки 3.(рисунок 11)

 

 

 

 

 

 

Рисунок 11– Манометрический термометр

 

Термобаллон погружается  в среду с измеряемой температурой. При изменении температуры изменяется давление рабочего вещества в баллоне. По капилляру это давление передается на трубчатую манометрическую пружину, от которой через передаточный механизм приводится в действие стрелка прибора.

В зависимости от вида рабочего (термометрические вещества, заполненные термосистемой) манометрические термометры делятся на газовые, жидкостные и конденсационные.

В газовых термометрах  в качестве рабочего вещества используется азот. Длина капиллярной трубки составляет от 1,6 м до 40 м. Размеры термобалона: диаметр от 12 до 20 мм.; длина – от 25 до 500 мм. Пределы измерения – от -200 ºС до +600 ºС. Шкала равномерная.

В жидкостных термометрах термосистема заполнена силиконовыми жидкостями. Вследствие возможности возникновения дополнительной температурной погрешности длина капилляра меньше чем у газовых и составляет от 0,6 м до 10 м. Диаметр термобалона – от 12 до 16 мм.; длина – от 80 до 400 мм. Пределы измерения – от -50 ºС до 300 ºС. Шкала равномерная.

В конденсационных термометрах  рабочим веществом является низкокипящие органические жидкости (ацетон, фреон, хлористый метил). Термобалон на 2/3 заполнен рабочей жидкостью, над которой находится образующийся из нее насыщенный пар. Длина капилляра достигает 25 м.; диаметр термобалона– 16 мм; длина– 125–400мм. Пределы измерения – от - 25 ºС до 300 ºС. Они имеют неравномерную шкалу (сжатую вначале) что обусловлено нелинейной зависимостью давления насыщенного пара от его температуры.

Манометрические термометры имеют основную погрешность из-за несовершенства работы трубчатой пружины и отсчетного устройства и нескольких дополнительных погрешностей.

Источниками дополнительной погрешности является изменение атмосферного давления (барометрическая погрешность), влияние температуры среды на капиллярную трубку и манометрическую пружину (температурная погрешность), воздействие гидростатического давления столбов жидкости на манометрическую пружину при установке термобалона и пружины на разных высотах (гидростатическая погрешность).

Для уменьшения барометрической  погрешности газовые и жидкостные манометрические термометры заполняются рабочим веществом под высоким начальным давлением (2–3 МПа).

Для снижения температурной погрешности в этих термометрах применяются термобалоны с объемом рабочего вещества превышающего в несколько раз объем вещества находящегося в капилляре и манометрической пружине.

Для исключения гидростатической погрешности в жидкостных и конденсационных термометрах термобалон и манометрическую пружину устанавливают на одном уровне. При необходимости их размещения на различной высоте выполняют механическую корректировку нулевой отметки прибора после его монтажа.

Газовые термометры по сравнению  с другими термометрами позволяют передавать показания на наибольшее расстояние.

Жидкостные термометры обладают наименьшей инерционностью.

Конденсационные термометры имеют большую чувствительность, также отсутствует температурная погрешность, так как вызванная изменением температуры окружающей среды изменение объема термосистемы компенсируется дополнительным испарением или конденсацией рабочего вещества.

Достоинства манометрических  термометров: взрыво – и пожаробезопасность; простота конструкции и обслуживания; надежность; возможность дистанционного измерения; автоматическая запись температуры.

Недостатки манометрических  термометров: невысокая точность измерения; большие размеры термобалона; значительная инерционность.

5.3 Термоэлектрические преобразователи (термопары)

Принцип действия термопреобразователей сопротивления основан на свойстве металлов (проводников) и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление с изменением температуры контролируемой среды.

Если составить замкнутую  цепь из двух разнородных проводников (А и В) и нагреть один ее спай, то в цепи возникнет электрический ток. (рисунок 12)

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 12– Цепь из двух разнородных проводников

 

Спай t₀– холодный спай;

Спай t – горячий спай – погруженный в измеряемую среду.

Суммарная термодвижущая сила (термо- ЭДС) замкнутой цепи термопары, спаи которых нагреты до температур t и t₀ выражается так:

                                                            (5.1)

– суммарная термо - ЭДС

и – потенциалы, возникающие в спаях.

Так как потенциалы спаи зависят  от температуры, то равна разности температур:

                                                            (5.2)

Поддерживая температуру  одного из спая постоянной, т.е. t₀=const следовательно ,получим:

                                                 (5.3)

Таким образом, если для данного термоэлектрического преобразователя экспериментально найдена эта зависимость, то измерение неизвестной температуры сводится к определению термо - ЭДС, которая составляет 0,01–0,06 мВ на 1 ºС.

При введении в цепь третьего проводника термо - ЭДС не изменяется, если концы проводника имеют одинаковые температуры (рисунок 13), поэтому включение в цепь термопары соединительных проводов измерительных приборов и подгоночных сопротивлений не отражается на точности измерения (если термопара и вторичный прибор находятся в одном помещении).

 

 

 

 

 

 

Рисунок 13– Цепь из трех проводников

 

Если термопара и  вторичный прибор находятся в разных помещениях – используются компенсационные провода.

Термопары градуируются при температуре свободного спая t₀ =0 ºС. В действительности температуры свободных концов термоэлектрического преобразователя отличается от 0 ºС, поэтому для нахождения действительной температуры вводится поправка:

                                                           (5.4)

где – термо-ЭДС, развиваемое термопарой, если температура рабочего конца t и температура свободного конца t₀ =0 ºС.

– термо- ЭДС развиваемое термопарой, если температура рабочего конца и температура свободного конца t₀.

– термо- ЭДС развиваемое термопарой, если температура рабочего конца t и температура свободного конца .

– температура отличная от 0 ºС (комнатная).

+ - если

– - если

Конструктивно термоэлектрический преобразователь представляет собой  две проволоки из разнородных  металлов, нагреваемые концы которого скручиваются и затем свариваются.

Для устранения влияния  изменения температуры окружающей среды на термо-ЭДС свободные концы термоэлектрического преобразователя термостатируют или применяют компенсирующее устройство.

Термопары соединяют  с вторичными приборами, термоэлектродными  проводами, изготовленными из такого же материала, что и электроды термопары, или из других сплавов, развивающих такую же термо - ЭДС, что и термопара.

 Термопары могут быть:

ТХК – хромель-копель – для измерения температуры от -50 ºС до +600 ºС.

ТХА – хромель-аллюминевая – диапазон от -50 ºС до +1000 ºС.

ТПП – платинородий - платиновая – диапазон от 0 ºС до 1300 ºС.

ТПР – платинородий - платинородиевая – диапазон от 300 ºС до 1800 ºС.

ТВР – вольфрам - рениевая – диапазон от 100 ºС до 1800 ºС.

Также используются термопары  с унифицированным входным сигналом от 0 до 5 мА и от 4 до 20 мА.

Вторичным прибором, работающим в комплекте с термопарой, является потенциометр.

Потенциометрический метод  измерения основан на уравновешивании (компенсации) измеряемой термо-ЭДС, известной разностью потенциалов, образованной вспомогательными источниками тока.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 14– Измерительная схема потенциометра

 

где ТЭП – термо электрический преобразователь;

Б – батарея;

R– Проволочное сопротивление – реохорд;

НП – нуль-прибор (гальванометры).

Ток от батареи проходит в первой цепи, которая включает реохорд.

Для реохорда характерно следующее  соотношение:

                                                                                      (5.5)

Ток цепи                                                                                    (5.6)

Вторая цепь включает в себя термопару, нуль-прибор, который является индикатором наличия тока в цепи; и участок реохорда между точками А и С. Термопара включается таким образом, что ток I₂ на участке АС идет в том же направлении что и ток I₁ .

Когда < U_AB , то на реохорде можно найти такое положение точки С, при котором ток I₂ станет равным 0. Стрелка нуль - прибора установится на нулевой отметки. В этом случае или .

Термо - ЭДС термопары определяется падением напряжения на участке реохорда l и не зависит от сопротивления нуль - прибора и внешнего сопротивления цепи термопары. При измерении потенциометрическим методом ток в первой цепи поддерживать на постоянном уровне не требуется.

Реохорд снабжается шкалой, градуированной в ºС или мВ. В лабораторных потенциометрах перемещение движка осуществляется вручную; в автоматических потенциометрах движок реохорда соединен с двигателем и его перемещение происходит автоматически.

Автоматические потенциометры  могут быть: КСП-2; 3; 4– комплект самописцев потенциометров – термопара, подключенная напрямую без преобразователя.

5.4 Устройство и работа лабораторного переносного потенциометра ПП

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 15– Электрическая схема потенциометра ПП

Потенциометр ПП предназначен для измерения электродвижущих сил и напряжений в цепях постоянного тока компенсационным методом. Электрическая схема потенциометра ПП имеет 3 цепи:

1. цепь вспомогательного источника тока – предназначена для установки резистором R_б;
2. цепь термопары;
3. цепь нормального элемента (НЭ).

– это ЭДС длительное время при кратковременной нагрузки остается постоянной.

На лицевой стороне потенциометра  находится нуль - прибор, ручки движков реохорда R_р, секционного резистора R_с и резистора R_б; а также переключатель, конструктивно объединяющий один узел в контакты П₁, П₂, П₃, П₄.

 Переключатель имеет три  положения: в среднем положении  все контакты и цепи потенциометра разомкнуты. Для установки рабочего тока переключатель переводят в положение К (контроль). При этом цепь батареи включается в цепь нормального элемента. Если сила тока в цепи батареи отличается от стандартной, определяющейся по формуле:

                                                                                    (5.7)

на что указывает  стрелка нуль прибора, отклонившись в сторону от среднего положения, тогда перемещают движок резистора R_б и устанавливают в этой цепи рабочий ток. Затем переключатель переводится в положение U (измерение); при этом в цепь источника тока Б включается цепь термопары и измеряется термо- ЭДС. Движки секционного резистора R_с и движок реохорда R_р перемещают до тех пор, пока термо - ЭДС термопары полностью не компенсируется равной и противоположно направленной разностью потенциалов, создаваемой током батареи на участке ab. При этом