Готовимся к экзамену по автоматизации химических процессов

Измерение температуры. Термометры расширения. Манометрические термометры. Термоэлектрические термометры. Термометры сопротивления. Пирометры излучения.

Температура является важным параметром, определяющим не только протекание технологического процесса, но и свойства вещества. Температурой называют физическую величину, характеризующую степень нагретости тела. Для измерения температуры в системе единиц СИ принята температурная шкала с единицей температуры Кельвин (К). Начальной точкой этой шкалы является абсолютный нуль (0 К).Для технологических измерений часто применяют температурную шкалу с единицей температуры градус Цельсия (ºС).Приборы, служащие для измерения температуры, путем преобразования ее в показание или сигнал, являющийся известной функцией температуры, называют термометром.

Чувствительным элементом называют часть термометра, преобразующую тепловую энергию в другой вид энергии для получения информации о температуре.Для измерения температур применяют различные приборы, основанные на известных физических процессах. Эти приборы классифицируют в зависимости от того, какой метод измерения положен в основу их конструкции. Существуют следующие методы измерения: контактный(метод непосредственного соприкосновения измерительного прибора с измеряемой средой) и неконтактный (метод, основанный на расположении измерительного прибора, на расстоянии от измеряемой среды). К приборам, основанным на контактном методе измерений, относят:жидкостные термометры, действие которых основано на использовании теплового расширения жидкости; манометрические термометры, действие которых основано на использовании зависимости давления вещества при постоянном объеме от температуры;термоэлектрические термометры, действие которых основано на использовании зависимости термоэлектродвижущей силы термопары (чувствительного элемента термоэлектрического термометра) от температуры;термометры сопротивления, действие которых основано на использовании зависимости электрического сопротивления вещества от температуры.К приборам, основанным на неконтактном методе измерений, относят пирометры излучения. Это термометры, действие которых основано на использовании теплового излучения нагретых тел.

Жидкостные термометры расширения. Жидкостные термометры расширения используют в основном как показывающие приборы местного действия в интервале температур от минус 190 до + 750 °C. По назначению термометры подразделяют на технические, лабораторные и образцовые. Для технических стеклянных термометров в качестве термометрической жидкости используют ртуть в диапазоне измерений от минус 30 до + 600 °С; спирт, толуол – от минус 130 до + 60 °С и другие органические жидкости.В зависимости от формы нижней части эти термометры подразделяются на прямые (тип А) и угловые (тип Б) с углом 90° или 135°.Основные достоинства этих термометров – простота, надежность, высокая точность измерения. Недостатки – невозможность ремонта, отсутствие автоматической записи и передачи показаний на расстояние.

Манометрические термометры. Принцип действия манометрических термометров основан на изменении объема или давления среды в замкнутой системе в зависимости от температуры чувствительного элемента. В зависимости от вида среды, находящейся в замкнутой системе, манометрические термометры разделяются на:жидкостные (рабочее вещество – ртуть,кремнийорганическая или полиметилсилаксановая жидкость),газовые (наполнитель – азот или аргон), конденсационные (паровые), в которых используются низкокипящие жидкости – фреон, ацетон, этиловый спирт.Чувствительным элементом у них служит трубчатая (манометрическая) пружина, упругая деформация которой зависит от изменения объема (в жидкостных термометрах) или давления (в парожидкостных и газовых термометрах) рабочей среды в замкнутой системе под действием температуры. Рассмотрим принцип действия этих манометров на примере жидкостного манометра.

В парожидкостных термометрах термобаллон частично заполнен термометрической жидкостью с низкой температурой кипения (ацетон, метилхлорид). Остальная часть системы заполнена насыщенными парами этой жидкости. Давление насыщенного пара изменяется в зависимости от температуры и передается на трубчатую пружину по капилляру посредством сконденсировавшейся жидкости. Давление насыщенных паров изменяется непропорционально температуре, поэтому у парожидкостных термометров шкала неравномерная.В газовых термометрах вся система заполнена инертным газом (азотом, гелием). Изменение температуры вызывает в таком термометре изменение давления инертного газа при постоянном его объеме в замкнутой системе (термобаллон – капилляр – трубчатая пружина). Чем выше температура, тем большим будет давление газа в системе; вследствие чего трубчатая пружина, стремясь выпрямиться, будет поворачивать через систему рычагов стрелку по шкале.Манометрические термометры выпускаются для измерения температуры в диапазоне от минус 200 до + 600 °С. Основным достоинством манометрических термометров является простота конструкции и обслуживания, малая инерционность. Большинство манометрических термометров обладает хорошей вибростойкостью. Точность измерения манометрических термометров зависит от колебаний температуры среды, окружающей соединительный капилляр. К недостаткам следует отнести невысокую точность измерений (класс большинства приборов – 1; 1,5; 2,5) и большие размеры чувствительных элементов.

Термоэлектрические термометры. Для измерения высоких температур с дистанционной передачей показаний применяются термоэлектрические термометры, работа которых основана на принципе термоэлектрического эффекта.

Термоэлектродвижущей силой(термоэдс) называется электродвижущая сила, появляющаяся в нагретых до разных температур спаях двух электродов из разнородных материалов. Проводники, из которых собирается термоэлектрический термометр, называются термоэлектродами.Нагреваемый конец термоэлектрического термометра называется рабочим, а холодный конец – свободным. Если свободный конец термоэлектрического термометра не сваривать, а замкнуть на прибор, который может измерять напряжение, например милливольтметр, то прибор покажет величину, пропорциональную термоэдс (рис. 3.7).При измерении температуры с помощью термопар необходимо учитывать температуру свободных концов термопары. Компенсация влияния температуры свободных концов производится либо автоматически во вторичных приборах, либо используется компенсационная коробка.Так как контакты соединительных проводов с электродами термоэлектрического термометра, находящиеся в зоне повышенной температуры, тоже могут создавать термоэдс, то в качестве проводов применяют специальные компенсационные провода. Материалы компенсационных проводов и электродов термоэлектрического термометра подбирают с близкими электрическими свойствами так, чтобы в паре между собой они не развивали термоэдс. Это свойство должно сохраняться только в пределах возможных изменений температуры свободных концов (обычно от 0 до 100 °С).Все материалы для термопар делят на две группы: пары из благородных металлов и пары из неблагородных металлов.Основные преимущества термоэлектрических термометров сводятся к тому, что они просты в изготовлении и не требуют посторонних источников электроэнергии с постоянным напряжением.Недостатки термоэлектрических термометров – относительно небольшая точность при измерениях высоких температур, погрешность вследствие изменения температуры холодного спая.

Термометры сопротивления. Электрическое сопротивление тел изменяется с изменением их температур. Эта особенность позволила создать устройства, называемые термометрами сопротивления. Чувствительным элементом термометра является тонкая металлическая проволока. Проволоку наматывают на каркас и заключают в защитную арматуру. Измеряя электрическое сопротивление такой проволоки, можно судить о температуре, до которой она нагревается.Термометрами сопротивления можно измерять температуру с передачей на значительное расстояние от места измерений.В комплект аппаратуры, применяемой для измерения температуры, входят термометр сопротивления как чувствительный элемент, измерительный прибор, источник тока и соединительные провода, переключатель (в случае присоединения нескольких термометров к одному измерительному прибору).Термометры сопротивления более подходят для измерения невысоких температур, чем термоэлектрические термометры, так как термоэлектрические термометры при температурах менее 300 °С имеют повышенную погрешность. Термометры сопротивления чаще всего изготавливают из тонкой платиновой проволоки диаметром 0,015…0,07 мм или медной эмалированной проволоки диаметром 0,1 мм.Материалы, используемые для изготовления термометров сопротивления, должны иметь максимальный и постоянный температурный коэффициент сопротивления (ТКС), линейную зависимость сопротивления от температуры, обладать хорошей воспроизводимостью свойств и инертностью к воздействиям окружающей среды.К достоинствам термометров сопротивления можно отнести возможность дистанционной передачи показаний и измерения температуры одним показывающим прибором от нескольких термометров сопротивления с помощью специальных переключателей.Недостатками термометров сопротивления по сравнению с термоэлектрическими термометрами являются более сложное устройство и большая инерционность.

Пирометры. В рассмотренных ранее термометрах (термометры расширения, термоэлектрические, сопротивления) предусматривается непосредственный контакт между их чувствительным элементом и измеряемой средой. Верхний предел таких контактных методов измерения ограничивается температурой 1800 °С. Для определения более высоких температур без непосредственного контакта термометров с измеряемой средой, применяют пирометры.

 

Вы здесь: Home Автоматизация Готовимся к экзамену по автоматизации химических процессов