учебный план по программе наладчик кипиа. НКИПИА курс лекций. Учебный план Предисловие тема системы автоматического контроля и основы метрологии
 Скачать 7.3 Mb.
|
|
ТЕМА№ 6 Контроль температуры § 6.1. Классификация приборов для контроля температуры Температура является одним из важнейших параметров химико-технологических процессов. По современным представлениям температура — это условная статистическая величина, прямо пропорциональ- ная средней кинетической энергии частиц вещества (моле- кул или атомов). Практически температуру можно измерять лишь методом сравнения нагретости двух тел, причем сте- пень нагретости одного из тел предполагается известной. Для сравнения степени нагретости тел используют измене- ние какого-либо физического их свойства, зависящего от температуры и легко поддающегося измерению. Уста- новление единицы измерения температуры связано с уста- новлением температурной шкалы. Допускается применение двух температурных шкал: абсолютной термодинамической в градусах Кельвина (К) и международной практической в градусах Цельсия (°С) в зависимости от начала отсчета (положение нуля) по шкале. Абсолютную температуру обо- значают буквой Т, а температуру по шкале Цельсия t: T = (t + T 0 ); t = T − T 0 , где Т 0 = 273,15 К. Например, если температура, измеряемая в градусах Цельсия, равна 70 °С, то по абсолютной термо- динамической температурной шкале она равна 343,15 К. Международная практическая температурная шкала, при- нятая в 1968 г. и введенная как обязательная с 1 января 1971 г., является практическим осуществлением абсолютной термодинамической температурной шкалы. Она выбрана так, 131 чтобы температура, измеренная по этой шкале, была близка к термодинамической температуре и разность между ними оставалась в пределах современной точности измерений. Классификация приборов для измерения температу- ры. В зависимости от принципа действия приборы для из- мерения температуры по ГОСТ подразделяются на следу- ющие группы. Манометрические термометры основаны на измене- нии давления рабочего вещества при постоянном объеме с изменением температуры. Термоэлектрические термометры включают термо- электрический преобразователь (ТЭП), действие которого основано на использовании зависимости термоэлектро- движущей силы от температуры. Термометры сопротивления содержат термопреобразо- ватель сопротивления, действие которого основано на ис- пользовании зависимости электрического сопротивления чувствительного элемента (проводника или полупровод- ника) от температуры. Из пирометров излучения наиболее распространены: квазимонохроматический пирометр, действие ко- торого основано на использовании зависимости температуры от спектральной энергетической яркости, описываемой для абсолютно черного тела с достаточным приближением уравнениями Планка и Вина; пирометры спектрального отношения, действие которых основано на зависимости от температу- ры тела отношений энергетических яркостей в двух или нескольких спектральных интервалах; пирометры полного излучения, действие которых основано на использовании зависимости темпе- ратуры от интегральной энергетической яркости излучения. 132 § 6.2. Термометры расширения и манометрические термометры Термометры расширения. Это такие приборы, в кото- рых используется наблюдаемое при изменении температу- ры изменение объема или линейных размеров тел. В зави- симости от вида термометрических веществ термометры расширения подразделяются на жидкостные и термомет- ры, основанные на расширении твердых тел. Измерение температуры жидкостными стеклянными тер- мометрами основано на различии коэффициентов объемного расширения жидкостями материала оболочки термометра. Показания жидкостного термометра принято характеризо- вать коэффициентом расширения жидкости в стекле, опреде- ляемым уравнением. Для изготовления термометров применяют стекла спе- циальных сортов (термометрические), обладающие малым значением коэффициента. В зависимости от интервала измеряемых температур в качестве рабочей жидкости в жидкостных термометрах применяют пентан (от −190 до +20 °С), петролейный эфир (от −130 до +25 °С), этиловый спирт (от −100 до +75 °С), толуол (от −90 до +100 °С) и ртуть (от −30 до +700 °С). Наибольшее распространение получили ртутные стек- лянные термометры. Коэффициент расширения ртути мало изменяется при изменении температуры, поэтому шкала ртутного термометра до 200 °С практически линейна. Тер- мометры с органическими жидкостями из-за ряда недо- статков применяют только для измерения низких темпера- тур. Из всех таких термометров наибольшее распростране- ние получили спиртовые. Несмотря на большое разнообразие конструкций, все жидкостные стеклянные термометры относятся к одному из двух основных типов: палочные (рис. 6.1) и со вложенной шкалой (рис. 6.2). 133 Рис. 6.1. Палочный термометр расширения Рис. 6.2. Термометр расширения с вложенной шкалой Палочные термометры имеют толстостенный капилляр наружным диаметром 6–8 мм, нижний конец которого обра- зует резервуар для жидкости. Шкалу наносят на внешнюю поверхность капилляра. Термометры со вложенной шкалой имеют тонкостенный капилляр с расширенным резервуаром для ртути. Шкалу наносят на пластинку из молочного стекла, которая вместе с капилляром заключена в стеклянную обо- лочку, прикрепленную к резервуару термометра. В зависи- мости от назначения ртутные стеклянные термометры под- разделяются на образцовые (1-го и 2-го разрядов), лабора- торные и технические. Образцовые термометры 1-го разряда изготовляют только палочного типа, а образцовые 2-го раз- ряда и лабораторные — палочного типа или со вложенной шкалой. Технические термометры изготовляют только со вложенной шкалой. Технические и лабораторные термомет- ры могут иметь шкалы с различными пределами. Разновид- ностью ртутных являются контактные термометры (рис. 6.3), используемые в основном для сигнализации о нарушении заданного температурного режима. На рисунке 6.3 показан одноконтактный термометр с контактами из платиновой 134 проволоки, впаянными в нижнюю часть капилляра на уровне отметки, соответствующей той температуре, о которой нужно сигнализировать или которую необходимо поддерживать постоянной. К контактам припаяны проводники из медной проволоки, которые через соответствующие реле включены в цепь электрического нагревателя или сигнализации. В тот момент, когда оба контакта соединя- ются столбиком ртути, происходит замыкание электрической цепи реле, которое выключает электрический нагреватель или включают сигнали- зацию. Контактные термометры бывают с двумя и тремя контактами, с пере- менным положением верхнего кон- такта и т. д. Если термометр, градуированный при полном погружении в среду, по условиям эксплуатации не может быть полностью погружен в измеря- емую среду, то резервуар его и жид- костный столбик будут находиться при разных температурах. Поправку на выступающий столбик вычисля- ют по формуле ∆t = n β t1,t2 (t 2 − t 1 ), (6.2) где n — число градусов на выступающем столбике; β t1,t2 — коэффициент расширения жидкости в стекле (для ртути 0,00016, для спирта 0,001); t 2 — температура, показываемая термометром; Рис. 6.3. Контактные термометры 135 t 1 — средняя температура выступающего столбика, из- меряемая вспомогательным термометром, резервуар которого прикреплен к середине выступающего стол- бика основного термометра. Если температура выступающего столбика ниже изме- ряемой, то поправка ∆t имеет положительный знак, а если выше — отрицательный. Ошибки, вызванные выступаю- щим столбиком, могут достигать значительной величины, и пренебрегать ими не следует. Ртутные стеклянные термометры широко применяют в лабораторной и производственной практике. Биметаллические термометры. Чувствительным эле- ментом таких термометров является биметаллическая пла- стинка. Обычно внутренний слой этой пластинки изготов- ляют из металла, имеющего большой коэффициент линей- ного расширения, а наружный — из металла с малым ко- эффициентом (из инвара). При повышении температу- ры пластинка разгибается. Деформация пластинки через тягу, зубчатый механизм и шестеренку передается стрел- ке. Верхний предел измерения этих термометров ограни- чивается пределом упругости материалов. Основная об- ласть их применения — автоматическое регулирование температуры и сигнализация предельных значений темпе- ратур. Биметаллические элементы применяют также для за- щиты электрических цепей от перегрузок. В этом случае биметаллическая пластинка при повышении тока нагруз- ки сверх допустимого значения деформируется и разры- вает электрическую цепь пускателя, отключающего на- грузку. 136 Строение биметаллических термометров основано на различии теплового расширения веществ, из которых изготовлены пластины применяемых чувствительных элементов. Би- металлические термометры используются для измерения температуры в жидких и газообраз- ных средах, в том числе на морских и речных судах, атомных электростанциях. Биметаллические термометры БТ (стан- дартное исполнение, тыльное присоединение) применяются для многостороннего использо- вания в промышленности, отопительных и санитарных установках, системах кондиционирования и вентиляции. В общем случае биметаллические термометры состоят из двух тон- ких лент металла, например медной и железной, которые при на- гревании расширяются неодинаково. Плоские поверхности лент плот- но прилегают одна к другой. Такая биметаллическая система скручена в спираль, один из концов этой спирали жестко закрепляется. При нагревании или охлаждении спирали ленты, изготовленные из разных металлов, расширяются или сжимаются по-разному. Следовательно, спираль термометра или раскручивается, или туже скручивается. По указателю, который прикреплен к свободному концу спирали, можно судить о величине изменений. Примером биметаллического термомет- ра может служить комнатный термометр с круглым циферблатом. Технические характеристики термометра биметаллического РОСМА: диаметр 40; 50; 63; 80; 100 мм; классы точности 1,5; 2,5; рабочий диапазон от −50 до +500 °C; длина погружной части 30–250 мм; рабочее давление на гильзе 25 бар; медный сплав Ø 8 мм; циферблат из алюминия, белого цвета, шкала черного цвета; стрелка из алюминия, черного цвета; инструментальное стекло; защита IP 50; присоединение с помощью латунной гильзы с резьбой G1/2" или гильзы из нержавеющей стали с резьбой G1/2" (опция). Рис. 6.4. Термометр биметаллический РОСМА 137 Манометрические термометры. Действие манометри- ческих термометров основано на изменении давления ра- бочего вещества, заключенного в емкость постоянного объема, при изменении его температуры (рис. 6.5). Прибор состоит из термобалло- на 1, капиллярной трубки 2 и мано- метрической части 3–6. Всю систему прибора (термо- баллон, капилляр, манометрическая пружина) заполняют рабочим ве- ществом. Термобаллон помещают в зону измерения температуры. При нагревании термобаллона дав- ление рабочего вещества внутри замкнутой системы увеличивается. Увеличение давления восприни- мается манометрической пружиной, которая воздействует через переда- точный механизм на стрелку или перо прибора. Манометрическая пружина вы- полняется как в виде одно- или многовитковой пружины, так и в виде сильфона (как у рассмотрен- ных выше манометров). Длина и диаметр термобаллона могут быть различными. Термобаллоны обыч- но изготовляют из стали или лату- ни, обладающей высокой теплопро- водностью, а капилляр — из медной или стальной трубки с внутренним диаметром от 0,15 до 0,5 мм. Длина капилляра может быть различной (от 0,25 см до 60 м). Для защиты от механических повреждений капилляр часто помещают в защитную оболочку из оцинкованного стального провода. Рис. 6.5. Манометрический термометр с трубчатой пружиной: 1 — термобаллон; 2 — капиллярная трубка; 3 — трубчатая пружина; 4 — держатель; 5 — поводок; 6 — сектор 138 Манометрические термометры широко применяют в хи- мических производствах. Этими приборами можно изме- рять температуру в интервале от −120 до +600 °С. Различают манометрические термометры следующих типов: 1) газовые, вся система которых заполнена газом под некоторым начальным давлением; в качестве заполнителя применяют азот, аргон, гелий; 2) жидкостные, система которых заполнена жид- костью; в качестве заполнителя используют по- лиметилсилоксановые жидкости; 3) конденсационные, в которых термобаллон частич- но заполнен низкокипящей жидкостью, а осталь- ное его пространство заполнено пара́ми этой жид- кости; термосистемы заполняют ацетоном, мети- лом хлористым, фреоном. Устройство манометрических термометров всех типов аналогично. Они бывают показывающими, самопишущи- ми и контактными. Основная погрешность манометриче- ских термометров всех видов равна ±1,5 % от максималь- ного значения шкалы при нормальных условиях. При от- клонении условий от нормальных возникают дополни- тельные погрешности, которые рассчитывают или компен- сируют. Работа газового манометрического термометра основана на законе Шарля, устанавливающего прямую зависимость между давлением и температурой идеального газа Р t = Р 0 [1 + β (t – t 0 )], (6.3) где β = 1/273,15 — термический коэффициент расширения газа, 1/°С; t — конечная температура, °С; t 0 — начальная температура, °С. 139 Шкала термометра получается равномерной, что явля- ется его преимуществом. Отклонение температуры окру- жающей среды от +20 °С вызывает погрешность изме- рения, которую можно рассчитать по приближенной фор- муле: ∆t m = (V m / V σ ) (t m − t 0 ), (6.4) где V м — объем манометрической пружины; V σ — объем термобаллона; V m — температура среды, окружающей манометр, °С; t 0 — температура градуировки прибора (20 °С). Погрешность от нагревания капиллярной трубки ∆t k = (V k / V σ ) (t k − t 0 ) (6.5) где V k — объем капиллярной трубки; t k — температура среды, окружающей капилляр, °С. Из формулы (6.5) видно, что погрешность возрастает пропорционально объему, а следовательно, и длине капил- ляра. Ее можно уменьшить, увеличив объем термобаллона при той же длине капилляра. Обычно объем термобаллона составляет 90 % общего объема термометра. При правиль- но выбранном соотношении объема термобаллона, капил- ляра и трубчатой пружины термометры с достаточной точ- ностью могут работать без температурной компенсации при длине капилляра до 40 м. Во всех случаях при эксплуатации необходимо предо- хранять манометр и капилляр от действия теплового излу- чения окружающих нагретых предметов. Иногда для компенсации погрешностей от колебания тем- пературы манометра применяют компенсационное уст- ройство в виде биметаллической спирали, встроенной в пе- редаточный механизм манометра. Биметаллическая спираль при изменении температуры манометра действует в обрат- ном направлении относительно основной пружины. 140 К специфическим недостаткам газовых манометриче- ских термометров относится их значительная тепловая инер- ция, обусловленная низким коэффициентом теплоотдачи от стенки термобаллона к наполняющему его газу и малой теплопроводностью последнего. Действие жидкостных манометрических термометров основано на зависимости изменения давления от темпера- туры ∆P = (β / μ) ∆t , (6.6) где ∆P — изменение давления, МПа; β — коэффициент объемного расширения жидкости, 1/°С; μ — коэффициент сжимаемостн жидкости, см 2 /кг; ∆t — изменение температуры, °С. Из уравнения 6.5 видно, что изменение объема жидкости является линейной функцией температуры. Это определяет равномерность шкалы жидкостных термометров. Следует отметить, что погрешности от колебания температуры окру- жающей среды для жидкостных термометров больше, чем для газовых. Эти погрешности вычисляют по тем же форму- лам, что и для газовых термометров. Особенно значительные погрешности получаются при колебании температуры ка- пилляра, поэтому при значительной его длине необходимо применять компенсационное устройство. 141 Защитный ограничитель температу- ры SW15 применяется для мониторинга неполадок оборудования. При достижении неподвижной точ- ки переключения срабатывает микро- переключатель. Он приводится в дей- ствие контактным диском, установлен- ным на передающей тяге стрелки. Другой случай срабатывания пере- ключателя — разрыв капилляра. Когда оборудование попадает в рабочий диа- пазон, прибор возвращается в исходное положение. Технические характеристики прибора SW15: вид защиты: корпус IP53, зажимы IP00; номинальный размер, мм: 60, 72 × 72; класс точности: 2 по EN 13190; диапазон измерений: 0–400 °C; диапазон температуры: от −40 до +60 °C; циферблат: белый алюминий, черный шрифт; принцип измерения: трубка Бурдона; исполнение контактов: 1 фиксированный перекидной контакт; контакты: микропереключатели; контактный ток: 5A неиндуктивный, 250 В, 40–60 Гц; электрическое присоединение: 0,8 × 6,3 мм плоский разъем или разъем AMP капилляр: с пластиковым покрытием (от −40 до +120 °C); с медной оплеткой (от −40 до +350 °C); нержавеющая сталь (от −100 до +400 °C); длина капилляра: максимум 5 м; вывод капилляра: присоединение снизу сзади; тип монтажа: монтаж в панель с помощью монтажной скобы. На рис. 6.7 показана схема компенсационного устрой- ства, имеющего рядом с основным капилляром дополни- тельный (компенсационный) капилляр. Один конец у термо- баллона запаян, а другой соединен со вспомогательной (ком- пенсационной) пружиной. Оба капилляра и обе пружины Рис. 6.6. Термометр манометрический SW15 142 заполнены одной и той же рабочей жидкостью и имеют оди- наковые характеристики. С изменением температуры окру- жающей среды давление жидкости в обоих капиллярах и в обеих пружинах изменяется, поэтому вспомогательная пружина действует в направлении, противоположном дей- ствию основной пружины и тем самым исключается влия- ние температуры окружающей среды на показания прибора. Рис. 6.7. Схема температурной компенсации ртутного манометрического термометра: 1 — термобаллон; 2 — основной капилляр; 3 — дополнительный капилляр; 4 — основная спиральная трубчатая пружина; 5 — вспомогательная спиральная трубчатая пружина 143 Для жидкостных термометров следует также учитывать погрешность, вызванную различным положением термо- баллона относительно манометра по высоте; эту погреш- ность можно скомпенсировать, корректируя нуль после установки прибора. В конденсационных манометрических термометрах термобаллон обычно заполнен на ⅔ объема низкокипящей жидкостью. В замкнутой системе термометра всегда суще- ствует динамическое равновесие одновременно протекаю- щих процессов испарения и конденсации. При повышении температуры усиливается испарение жидкости и увеличи- вается упругость пара, а следовательно, усиливается также и процесс конденсации. В результате этого насыщенный пар достигает некоторого определенного давления, строго отвечающего температуре. Изменение давления насыщен- ного пара непропорционально изменениию температуры, поэтому шкала конденсационного термометра получается неравномерной. Это один из его недостатков. Манометрические термометры всех видов характеризуют- ся значительным запаздыванием показаний, зависящим от физического состояния наполнителей и их теплофизиче- ских характеристик. Газовые термометры имеют наибольшее запаздывание, а парожидкостные — наименьшее (примерно в 2,5 раза меньше, чем газонаполненные); жидкостные тер- мометры занимают промежуточное положение. При измере- нии температуры агрессивных сред или продуктов в аппара- тах, работающих при высоких давлениях, термобаллон ма- нометрического термометра устанавливают в защитную гильзу (рис. 6.8). 144 Рис. 6.8. Термобаллон манометрического термометра в защитной гильзе: 1 — защитная гильза; 2 — термобаллон, 3 — наполнитель гильзы; 4 — футеровка; 5 — нижняя разъемная шайба; 6 — уплотнительная набивка; 7 — верхняя разъемная шайба; 8 — втулка; 9 — капилляр Для работы со вторничными приборами изготовляют манометрические термометры с электрической и пневма- тической дистанционной передачей показаний. Приборостроительная промышленность выпускает термо- метры манометрические различных видов. |