Курс лекций для студентов специальности 092108 Теплогазоснабжение и вентиляция
 Скачать 4.93 Mb.
|
|
2.1. В освидетельствовании стеклянного термометра поправка, относящаяся к 200 0 С, составляет ∆ t 200 = -0,2 0 С, а относящаяся к положению нулевой точки -0,1 0 С. В результате поверки термометра положение нулевой точки соответствует +0,2 0 С. Отсюда новая поправка, в нулевой точке по выражению (2.5) составит: ∆t = -0,1 – (+0,2) = -0,3, а в точке 200 0 С будет равна ∆ t 200 = -0,2 + ∆t = -0,2 +(-0,3) = 0,5 0 С. 39 Помимо поправок на смещение нулевой точки при точном измерении температур необходимо также вводить поправку на выступающий с толб жидкости термометра , когда последний не может быть погружен в измеряемую среду до отсчитываемого деления на шкале Поправка на выступающий с толб жидкос ти в этом случае может быть рассчитана по формуле : ∆t = n · α · (t – t 1 ), (2.6) где ∆t – поправка на выступающий столб термометрической жидкости , 0 С ; n – высота выступающего столба в градусах шкалы термометра ; t – температура , показываемая термометром , 0 С ; t 1 – температура выступающей части , измеряемая дополнительно , 0 С ; α – видимый коэффициент расширения жидкости в стекле , град -1 Один из возможных способов определения средней температуры выступающей части столба термометрической жидкости показан на рис . 2.4. В соответс твии с приведенным рисунком , температура выступающего столба определяется с помощью вспомогательного термометра 2, резервуар которого прижимается к середине выступающей части столбика основного термометра 1. При этом вспомогательный термометр хорошо изолируется ( например , асбестовым шнуром ) и должен быть по возможности меньших габаритов Этот способ определения средней температуры является приближенным , т к поправка при этом не может быть определена точнее ±10 %. Рис . 2.4 - Измерение температуры выступающего столба 1 - основной термометр ; 2 - вспомогательный термометр ; 3 - асбестовый шнур ; 4 - гильза ; 5 - измеряемая среда 40 Пример 2.2. Лабораторный ртутный термометр погружен до отметки 100 0 С и показывает 250 0 С, при этом температура, показываемая вспомогательным термометром, равна 40 0 С. Коэффициент видимого расширения ртути α ≈ 1,6 · 10 -4 Отсюда поправка на выступающий столбик ртути будет равна: ∆t = (250-100) · 1,6 · 10 -4 · (250-40) = 3,04 0 С, а исправленное показание термометра составит: 250 + 3,04 = 253,04 0 С. 2.2.2. Манометрическиетермометры Принцип дейс твия манометрических термометров основан на изменении объема либо давления рабочего вещества в зависимости от температуры К первому типу приборов относятся манометрические жидкостные приборы , а ко второму типу – паровые и газовые Манометрические термометры являются техническими приборами для измерения температуры в пределах от -150 до 600 0 С , в зависимости от рабочего вещества , и применяются в различных областях техники При этом их основная погрешность не превышает ±1,5%. Следует отметить , что манометрические термометры допускают передачу показаний на сравнительно большие расстояния ( до 60 м ). Преимуществом манометрических термометров является простота конструкции , вибрационная устойчивость и полная взрывобезопасность , если отсутствуют электрические контакты К недостаткам их можно отнести необходимость сравнительно частых поверок и трудность ремонта при поломке капилляра Манометрические термометры изготавливаются показывающими и регистрирующими с дисковой или ленточной диаграммной бумагой , привод которой осуществляется синхронным электродвигателем или часовым механизмом Шкалы , применяемые на этих термометрах , могут быть односторонними , двусторонними и безнулевыми Устройство манометрического термометра схематично показано на рис .2.5. Термометр состоит из термобаллона 1, погружаемого в измеряемую среду , ка - пилляра 2 и согнутой по кругу манометрической пружины 3, имеющей в сечении форму эллипса и впаянной в держатель 4. Внутренняя полость 41 манометрической трубки связана при помощи капилляра с термобаллоном , образующие термосистему Свободный конец пружины герметизирован и шарнирно с помощью поводка 5 связан с сектором 6. Этот сектор в свою очередь соединен зубчатым зацеплением с трибкой 7, на оси которой закреплена указательная стрелка 8. Для выбора зазора в передаточном механизме установлен спиральный волосок 9, конец внутреннего витка которого закреплен на оси трибки Для компенсации изменения температуры окружающей среды в приборе предусматривается биметаллический термокомпенсатор 10. Рис .2.5 - Схема термометра манометрического : 1 - термобаллон ; 2 - капилляр ; 3 - манометрическая трубка ; 4 - держатель ; 5 - поводок ; 6 - сектор зубчатый ; 7 - трибка ; 8 - стрелка ; 9 - волосок ; 10 - компенсатор Манометрические термометры могут быть изготовлены с дополнительным устройством для сигнализации ( или регулирования ) температуры Некоторые типы термометров снабжаются передающим преобразователем с выходным унифицированным сигналом постоянного тока 0-5 мА или пневматическим передающим преобразователем с выходным унифицированным пневматическим сигналом 0,2-1 кгс / см 2 (0,02-0,1 МПа ). Внешний вид манометрического термометра с электрическими контактами показан на рис .2.6. Наряду с трубчатыми пружинами в манометрических термометрах используются винтовые , спиральные пружины , а также сильфоны Эти пружины в зависимости от рабочего вещества изготовляются из латуни или 42 стали Капилляр термометров изготовляют из меди и с тали с наружным диаметром 1,2-5 мм и внутренним диаметром 0,15 – 0,5 мм Длина капилляра стандарти - зирована и может принимать следующие значения : 1; 1,6; 2,5; 4; 6; 25; 40 и 60 метров Манометрические газовые термометры могут применяться для измерения температур в полном диапазоне ее изменения (-150 ÷ 600 0 С ) при этом в качестве заполнителя термосистемы используется азот Рис .2.6 - Термометр манометрический ( внешний вид ) Уравнение , в соответствии с которым изменяется давление в термосистеме при постоянном объеме , имеет вид : Р t = Р 0 · ( 1 – β · t), (2.7) где Р 0 - давление газа при температуре 0 0 С ; β - термический коэффициент давления , К -1 ( β =1/ Т 0 ); для идеального газа β =0,003661 К -1 , а для азота β =(0,003661- 0,000013 · Р 0 ). Манометрические термометры , заполненные жидкостью , применяются при измерении температур от -150 до +300 0 С В качестве рабочей жидкости в них используются пропиловый спирт либо силиконовые жидкости Шкала жидкостного манометрического термометра , как и для газового , является практически равномерной и линейной Однако , как известно , жидкость , применяемая в термосистеме , является несжимаемой , поэтому объем термосистемы для таких термометров должен быть согласован с типом применяемой жидкости и диапазоном измерения температур 43 При нагреве термобаллона от начальной температуры t н до конечной t к жидкость расширяется , термобаллон увеличит свой объем , а количество жидкости , вытесняемой из термобаллона , создающее избыточное давление в термосистеме , определится в соответствии с формулой : ∆ V=V · ( β -3 α )( t к - t н ), (2.8) где V – внутренний объем термобаллона , м 3 ; β – объемный коэффициент расширения жидкости , К -1 ; α – коэффициент линейного расширения материала термобаллона , К -1 Манометрические термометры рассчитаны на работу при температуре окружающей среды от +5 до +50 0 С при относительной влажности воздуха до 80 %. Для промышленного применения они выпускаются с классами точности 1,0; 1,5; 2,5 и 4,0, при этом класс точности устанавливается последней 2/3 части диапазона измерения , а для первой трети шкалы класс точности соответственно должен быть не хуже следующего по порядку из указанного ряда 2.2.3. Дилатометрическиеибиметаллическиетермометры В дилатометрических и биметаллических термометрах в качестве рабочего тела используются твердые материалы ( в основном металлы ). Их принцип действия основан на изменении размеров твердого тела в зависимости от изменения температуры в ограниченном температурном диапазоне , в котором сохраняется линейная зависимость удлинения рабочего тела от температуры Зависимость изменения длины твердого тела от температуры может быть выражена следующей формулой : L t = L 0 · ( 1 + α t ), (2.9) где L t , L 0 – длина тела при рабочей и начальной температурах , соответственно ; α – средний коэффициент линейного расширения твердого тела , 0 С -1 Коэффициенты линейного расширения металлов , применяемых в рассматриваемых термометрах , приведены в таблице 2.6. 44 Таблица 2.6 - Коэффициенты линейного расширения некоторых металлов Материал α ·10 - 4 , 0 С - 1 Интервал температур Алюминий (90%) 0,238-,310 0-500 Латунь 0,183-0,236 0-400 Медь красная 0,253 0-150 Хромомолибденовая трубка 0,123 0-100 Сталь никелевая (Ni 20-22%) 0,200 0-500 Инвар 0,009 0-200 Рис .2.7 - Схема дилатометрического термометра Дилатометрические термометры обладают рядом достоинств ( простота устройства , высокая чувствительнос ть ), однако для непосредственного измерения температуры используются редко В основном они находят применение в качестве первичных измерительных преобразователей в системах автоматического регулирования температуры На рис . 2.7 приведена схема устройства дилатометрического термометра Он состоит из металлической трубки ( чувствитель - ного элемента ) 1, внутри которой находится стержень 2. Трубка имеет коэффициент линейного расширения больший , чем стержень Верхний конец трубки закреплен в штуцере 3. С нижней стороны внутренний стержень крепится к настроечной пробке 4. На верхний конец стержня , который находится в головке термометра , опирается основной рычаг 5, качающийся вокруг оси 6. Этот рычаг прижимается к стержню при помощи пружины 7 и соединяется с указательной стрелкой 9 45 посредством тяги 8. Отсчет температуры производится по шкале 10. При измерении температуры нижняя часть термометра ( трубка 1) полнос тью погружается в измеряемую среду При повышении температуры среды трубка удлиняется больше , чем стержень , вследствие чего стержень перемещается вниз При перемещении стержня одновременно перемещается вниз и основной рычаг , который своим свободным концом устанавливает с трелку прибора в место шкалы , соответс твующее измеряемой температуре В качестве чувствительного элемента в биметаллических термометрах используется пластина из двух полос различных металлов , сваренных по всей длине Поскольку коэффициент линейного термического расширения для этих металлов различен , то при нагревании плас тины происходит ее изгиб в направлении металла с меньшим коэффициентом расширения При этом изгиб пластины может быть преобразован в перемещение указательной стрелки или в перемещение электрических нормально открытых ( закрытых ) контактов Наиболее часто применяемыми металлами в биметаллических термометрах являются инвар - сталь или инвар - латунь При высоких температурах в биметаллической пластине в результате изгиба могут возникнуть напряжения , превышающие предел упругости металла , поэтому в этих термометрах предусматриваются соответствующие ограничители Применение дилатометрических и биметаллических термометров в качестве температурных реле , используемых в схемах дискретной автоматики , схематично показано на рис . 2.8 а , б Приведенное дилатометрическое реле ( рис . 2.8, а ) используется для сигнализации или дискретного регулирования температуры в диапазоне 100- 300 0 С Чувствительным элементом данного устройс тва является трубка 1 и пружина контактов 2. Материал трубки имеет больший коэффициент температурного расширения по сравнению с материалом пружины При нагревании чувствительного элемента трубка удлиняется и перемещается на 46 расстояние ∆ l и увлекает за собой упор 3, который , растягивая контактную пружину , разрывает контакты 5. Нас тройка температуры срабатывания реле производится при помощи винта 4, позволяющего регулировать первоначальный зазор ∆ l , изменяя тем самым разрывное усилие на контактах а ) б ) Рис . 2.8 - Реле температуры : а ) дилатометрическое типа РТ -300: 1 - термочувствительная трубка ; 2 - пружина контактов ; 3 - упор ; 4 - регулировочный винт ; 5 - электрические контакты ; б ) биметаллическое : 1 - биметаллическая плас тина ; 2 - электрические контакты ; 3 - регулировочный винт ; 4 - электрический изолятор ; 5 - защитная гильза В биметаллическом реле температуры ( рис .2.8 б ) в качестве чувствительного элемента используется биметаллическая плас тина 1, которая при изменении температуры изгибается , замыкая или размыкая контакты 2. Зазор между контактами регулируется при помощи винта 3, что изменяет заданное значение температуры срабатывания реле Пластины , на которых находятся электрические контакты , изолируются между собой при помощи диэлектрика 4 и помещены в гильзу 5 для защиты чувствительной части реле от действия измеряемой среды Область применения биметаллических реле лежит от -60 до 300 0 С 47 2.3. Поверкатермометроврасширения Термометры расширения поверяются в жидкостных термостатах путем сравнения их показаний с образцовыми термометрами При использовании метода сравнения для интервала температур от 5 до 95 0 С применяют водяные термос таты ; в интервале от 100 до 300 0 С – масляные термостаты ; в интервале от 300 до 500 0 С – соляные термостаты Поверка термометров при отрицательных температурах производится в термостатах , заполняемых этиловым спиртом , охлаждаемых твердой углекислотой или жидким воздухом В качестве образцовых приборов для поверки термометров применяют образцовые ртутные стеклянные термометры в температурном интервале от минус 30 до 300 0 С , а при более низких температурах и свыше 300 0 С - образцовые платиновые термометры сопротивления Число поверяемых точек должно быть не меньше трех , помимо точек 0 и 100 0 С , поверка которых является обязательной для всех термометров , имеющих их на шкале При поверке манометрических термометров их закрепляют на вертикальной с тойке , а термобаллон полностью погружают в термостат Перед поверкой манометрический термометр должен быть отрегулирован , для чего его термобаллон погружают в сосуд с тающим льдом или в термостат с температурой , равной любой оцифрованной отметке шкалы После этого с помощью корректора нуля устанавливают стрелку термометра на соответс твующую этой отметке шкалы температуру Поверка показаний манометрических термометров производится не менее чем в трех точках , соответс твующих началу , середине и концу шкалы Поверка приборов производится в одних и тех же точках сначала при повышении , затем при понижении температуры термостата 48 Рис . 2.9 - Водяной кипятильник ( гипсометр ) Поверка нулевой точки осуществляется при помощи сосудов Дьюара , заполняемых мелко раскрошенным льдом и дистиллированной водой При этом резервуар и часть шкалы с отметкой «0» стеклянного жидкостного термометра должны быть погружены в тающий лед Положение нулевой точки шкалы у поверяемых термометров производится до и после их поверки в термос тате и определяется как среднее значение после четырехкратного измерения до и после нагревания Поверка точки 100 0 С осуществляется в водяных кипятильниках ( гипсометрах ), схема которого приведена на рис . 2.9. Кипятильник состоит из сосуда 1, наполненного на 2/3 объема дистиллированной водой С помощью электрического нагревателя вода в сосуде нагревается до кипения Пар , образующийся при кипении , через отверстие 2 поступает во внутренний цилиндр 3. Поднимаясь по этому цилиндру , пар через верхнюю часть его поступает в кольцевое пространс тво 4 и отсюда через трубку 5 проходит в холодильник 6, где конденсируется и стекает по трубке 7 в сосуд 1. Для наблюдения за уровнем воды в сосуде предусмотрено водомерное с текло 8. Избыточное давление в цилиндре 3 измеряют U- образным манометром в миллиметрах водяного столба Температура кипения воды , в зависимости от атмосферного ( барометрического ) давления , определяется по формуле : t K = 100 + 0,037 (h п - 960), (2.10) где h п - давление насыщенного водяного пара в кипятильнике , мм рт ст Поверяемые термометры погружаются в цилиндр 3 через отверстие в крышке так , чтобы у лабораторных термометров мениск жидкости в капилляре 49 не выступал более , чем на 5 мм , а у технических термометров полностью погружается только нижняя часть ( хвостовик ). Термометры должны находиться в парах кипящей воды не менее 15-20 мин , после чего производятся отсчеты : барометрического давления по ртутному барометру с точнос тью до 0,1 мм рт ст .; температуры барометра ; избыточного давления по U- образному манометру ; показаний поверяемых термометров Число отсчетов должно быть не менее пяти с интервалами через одну минуту Среднее из отсчетов принимается за действительную величину показаний термометра Поверка втермостатах На рис . 2.10 представлен термос тат для поверки термометров путем сравнения их показаний с показаниями образцовых термометров в интервале температур от +5 до +300 0 С Термостат состоит из цилиндрического сосуда 1 с приваренным дном и фланцем 2. В дно сосуда вварены три трубки ; одна , проходящая по оси сосуда , служит для вывода оси мешалки 3, вторая , находящаяся у стенки сосуда , предназначена для автоматического слива излишка жидкости , получающегося при ее расширении от нагревания , и третья - для спуска жидкости из сосуда Сосуд термостата имеет две крышки 4 и 5 с отверстиями для погружения термометров К крышке 4 прикреплен цилиндр 6, не доходящий до дна и до крышки сосуда Этот цилиндр предназначается для лучшей циркуляции жидкости внутри сосуда Для уменьшения тепловых потерь между с тенками сосуда , дном и кожухом 7 используется теплоизолирующий материал Нагрев рабочей жидкости в термостате осуществляется электрическим нагревательным элементом типа ТЭН Температура же регулируется с помощью реостата , включенного в цепь нагревателя К источнику питания подключен также электродвигатель мешалки Термостат для поверки термометров в интервале температур от 5 до 95 0 С наполняется водой , а в интервале от 100 до 300 0 С наполняется сухим маслом с температурой вспышки не ниже 320 0 С , например , маслом марки « Вапор ». 50 Рис .2.10 - Схема термостата для поверки термометров Для поверки термометров в интервале температур от 300 до 500 0 С применяют термостат , заполняемый смесью солей : 45% NaN0 3 + 55% KNO 3 Смесь указанного состава плавится при температуре около 200 0 C и пригодна для нагрева до +630 0 С Соляной термостат отличается от описанного выше термос тата главным образом иным устройс твом обогрева Кроме того , внутренний цилиндр и другие детали изготовляются из более толстого металла Электрический нагревательный элемент термостата из нихромовой проволоки расположен не внутри сосуда , а наматывается на его внешней поверхности Сверху нихромовая проволока покрывается шамотом Нагреватель питается от сети переменного тока напряжением 220 в . Мощность нагревателя около 5 квт . Поверяемые термометры погружают в водяной и масляный термостаты через отверстия в крышках так , чтобы нижняя часть технических термометров была погружена полнос тью , а у образцовых и лабораторных термометров выступающий над крышкой столбик жидкости во время отсчета показаний не превышал 5 мм . В соляной термостат термометры погружаются аналогично предыдущему , но лишь после того , как расплавится соль Термометры в термос татах должны располагаться в следующем порядке : сначала образцовый , а потом поверяемые 51 По окончании загрузки термометров в термостат включают мешалку ( в водяном термостате , если температура воды в нем слишком высока , то первую точку получают путем добавления в термостат льда или холодной воды ). Достигнув требуемой температуры , отсчитывают показания образцового и поверяемых термометров Число таких отсчетов должно быть не менее четырех Из полученных отсчетов температуры вычисляется средняя арифметическая величина для каждого термометра и округляется до десятой доли цены деления Как было сказано выше , для поверки термометров ниже 0° С применяют термос таты , наполняемые этиловым спиртом или другими жидкос тями , охлаждаемыми твердой углекислотой или жидким воздухом Один из способов охлаждения жидкости в таких термос татах заключается в использовании медной U- образной шины , погружаемой одним концом в сосуд термостата , а другим концом в другой металлический термостат , заполненный смесью твердой углекислоты со спиртом Регулировка температуры в термостате производится путем изменения глубины погружения U- образной шины , а для более тонкой регулировки , в тех случаях , когда отвод тепла по шине слишком велик , применяется электрический нагреватель , снабженный регулировочным реостатом Такой способ регулировки температуры позволяет поддерживать в термостате с этиловым спиртом любую температуру в интервале от минус 60 до 0° С Этиловый спирт перед заполнением термостата предварительно должен быть охлажден до требуемой температуры в специальном сосуде , установленном в вытяжном шкафу , с помощью твердой углекислоты , засыпаемой непосредственно в спирт Поверку термометров при отрицательных температурах также можно производить при помощи охлаждающих смесей Эти смеси получают путем смешения чистого льда с различными солями , которые указаны в таблице 2.7. |