Тема 1. 1. Ведение. Общие сведения о теплотехнических измерении и метерологий.

Тема 1.1. ВЕДЕНИЕ. оБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИИ И МЕТЕРОЛОГИЙ.

Тема 1.2

Измерения температуры

Температурой называют величину, характеризующую тепловое состояние тела (степень нагретости).

Термометры расширения

 

- это приборы, в которых для измерения t ° используется свойство теплового расширения вещества (жидкость, газ или твердое тело).

Конструктивные формы стеклянных жидкостных термометров делятся на два типа: палочные и со вложенной шка­лой.

Для заполнения жидкостных термометров применяют ртуть, толуол, этиловый спирт, керосин, петролейный эфир, пентан и т. д.

Из жидкостных термометров наибольшее распространение полу­чили ртутные, т.к. ртуть не смачивает стекла, срав­нительно легко получается в химически чистом виде.

Достоинства: дешевизна, высокая точность измерения, простота конструкции и использования.

Недостатки: плохая видимость шкалы, невозможность ремонта, непередаваемость сигнала на расстояние.

Стеклянные жидкостные термометры выпускаются следующих разновидностей:

1. Образцовые (цена деления – до 0,01 °С); 2. Лабораторные (интервал измерения ± 50°С); 3. Технические (-30 ¸ +50 °С; 0 ¸ +600 °С); 4. Метеорологические; 5. Бытовые; 6. Специальные (электроконтактные служат для поддержания постоянной температуры или для сигнализации -30 ¸ +300 °С).

Манометрические термометры

 

Действие манометрических термометров основано на использо­вании зависимости давления вещества, находящегося в герметично замкнутой термосистеме, при постоянном объеме от температуры. Замкнутая измерительная система манометрического термометра состоит (рис. 2) из металлического термобаллона (чувствительного элемента) 1, вос­принимающей температуру измеряемой среды, манометрической пружины 2, и длинного соединительного металлического капилляра 3.

Манометрические термо­метры часто используют в систе­мах автоматического регулирова­ния температуры, как бесшкальные устройства информации (датчики).

 

Рис. 2 - Схема манометрического термометра

 

Манометрические термометры подразделяют на:

1) жидкостные; в качестве термо­метрического вещества чаще используют ртуть, интервал температур от –25 до 600°С и реже органические жид­кости: метиловый спирт или ксилол С₆Н₄(СН₃)₂, в интервале температур от –80 до 320°С. Длина капилляра ограничена до 10 м.

2) конденсационные, в которых термобаллон заполнен на ³/₄ жид­костью с низкой температурой кипения и частично (¹/₄) – ее насыщен­ными парами, а соединительный капилляр и манометр – насыщен­ными парами жидкости или, чаще, специальной передаточной жид­костью (глицерин-пропантриоль). Рабочее вещество: ацетон (С₃Н₆О), этилбензол (С₈Н₁₀), ртуть, фреон 22 (СНF₂Cl) и т.д. Диапазон: -50 ¸+300 °С. Длинна капилляра £ 25 м. Отсутствует погрешность за счет температуры окружающей среды, так как давление внутри капилляра за счет перераспределения жидкости и газа остается неизменным.

3) газовые (заполнены инертным газом). Рабочее вещество: Азот, реже Гелий. Интервал температур: –160 ¸ +600°С. Длина капилляра £ 25 м, Æ термобаллона 22 мм.

ЛЕКЦИЯ 4

МИЛЛИВОЛЬТМЕТР

Прямой способ измерения Термо ЭДС осуществляется с помощью милливольтметра.

Милливольтметр (рис 4) состоит из постоянного магнита 4, неподвижного железного сердечника 3 и подвижной рамки 1. Рамка охватывает сердечник и может поворачи­ваться в узком воздушном зазоре между полюсными наконечниками магнита и сердечником. Рамка выполняется из сотен витков тонкой изолированной мед­ной (реже алюминиевой) проволоки, скрепленных бакелитовым или другим лаком, и приобретает жесткую прямоугольную форму. Рамка жестко соединена со стрел­кой 2, конец которой переме­щается вдоль шкалы 6 прибора. Подвижная система прибора тщательно сбалансируется с помощью грузиков- противовесов 5. Существуют приборы с вертикальной и горизонтальной осью вращения подвижной системы.

 

Рисунок 4 – Схема магнитоэлектрического милливольтметра

 

Магнитоэлектри­ческий милливольтметр, отградуированный в градусах температуры, принято называть пирометрическим мил­ливольтметром.

Для борьбы с влиянием окружающей среды устанавливают последовательно манганиновое добавочное сопротивление R _доб.

Существует другой способ уменьшения значения температурного коэффициента: последовательно с обмоткой рамки и добавочным сопротивлением включается терморезистор, имеющий отрицательный температурный коэффициент электрического сопротивления. При увеличении температуры сопротивление цепи с терморезистором уменьшается на значение, близкое увели­чению сопротивления обмотки рамки милливольтметра, так что общее его внутреннее сопротивление незначительно изменяется при изменении температуры окружающего воздуха.

Милливольтметры выпускают с вертикальной и горизонтальной осью подвижной части.

 

Термометры сопротивления

 

Действие термометров сопротивления основано на свойстве веще­ства изменять свое электрическое сопротивление с изменением тем­пературы.

Параметр, характеризующий изменение электрического сопротивления с температурой, называют температурным коэффициентом электрического сопротивления a.

a _Me = 0,0035¸0,0065 1/К

a _пп = 0,01¸0,15 1/К

Чувствительный элемен­т (ЧЭ) термометра сопротивления из чистых металлов – это обмотка из тонкой проволоки на специальном каркасе из изоляционного материала.

Эксплуатационные требования те же, что и у термопар.

Диапазон измеряемых температур у металлических ТС: от –260 до 750°С. В отдельных случаях до 1000°С.

Основные металлы: Cu, Pt, Ni.

Диапазон температуры полупроводниковыхТС: t = 1,3 ¸ 400 К.

В практике технологического контроля они по сравнению с металлическими находят меньшее применение, так как требуют индивидуальной градуировки.

Материал: Германий, Индий, Графит.

Чувствительные элементы терморезисторов также изготовляют из сме­сей окислов меди, марганца, магния, никеля, кобальта и других металлов. Смеси двух-трех окислов со связывающими добавками измельчают, спекают и обжигают, придавая им форму небольших цилиндриков, шайбочек или комочков-бусинок. В торцы чувстви­тельных элементов вжигают контакты.

Уравновешенные мосты

 

используют равновесный режим работы (а) моста. При помощи уравновешенных мостов измеряют сопротивления: 0,5 ¸ 10⁷ Ом.

Ели потенциалы вершин моста, к которым подключена измерительная диагональ, не равны вследствие изменения сопротивления, то в измерительной диагонали течет ток (напряжение небаланса), который поступает на вход электро–усилителя, выходной сигнал которого заставляет вращаться реверсивный двигатель, который кине­матически связан с движком реохорда и кареткой, перемещает их до равновесного состояния.

Применяются для измерения, записи и сигнализации или регулирования температуры.

Бывают показывающие, показывающие и самопишущие с записью на дисковой и ленточной диаграмме, изго­товляются как одноточечные, так и многоточечные (3, 6, 12 точек). Выпускаются с градуировкой шкалы в °С. Класс точности: k = 0,25; 0,5; 1,0; 1,5.

Автоматические уравновешенные мосты по конструктивному их оформлению подразделяются: показывающие типа КПМ1 и КВМ1; показывающие и самопишущие с ленточной диаграммой типа КСМ1, КСМ2 и КСМ4; показывающие и самопишущие с дисковой диаграммой типа КСМ3.

Разделяются на миниатюрные (КПМ1, КСМ1), малогабарит­ные (КВМ1, КСМ2, КСМ3) и нормальногабаритные (КСМ4).

 

Неуравновешенные мосты.

 

Используются в газоанализаторах и концентратомерах.

Преимущества:

1. Простота схемы (не требуется уравновешивания моста);

2. Измеряют малые сопротивления.

 

Рис. 8 – Схема неуравновешенного моста

Недостатки:

1. Нелинейность шкалы;

2. Зависимость показаний от изменения напряжения питания.

 

R ₁, R ₂, R ₃ = R – постоянные резисторы плеч моста; R _t – сопротивление термометра; mV – милливольтметр с внутрен­ним сопротивлением R _м; R _I – регулировочный резистор.

 

I м = U cd×	R 1× R 3 - R 2× R t
Д

 

где Д= R _м×(R ₁+ R _t)×(R ₂+ R ₃)+ R ₂× R ₃×(R ₁+ R _t)+ R ₁× R _t×(R ₂+ R ₃)

 

Жидкостные манометры

 

Устанавливаются непосредственно у измеряемого объекта (местные). Приборы видимым уровнемподразделяются на 1 - двухтрубные (U -образные) и 2 - однотрубные (чашечные).

Приборы U -образные (двухтрубные).

 

Рис. 10- Схема U-образного (двухтрубного) манометра

Манометр состоит из U -образной стеклянной трубки (Æ 8¸10 мм), запол­няемой до половины своей высоты рабочей жидкостью, и шкалы. Давление измеряется столбом рабочей жидкости h = h ₁+ h ₂в обоих коленах.

Ротаметры

Достоинства: 1. позволяют измерять очень малый расход. 2. Возможность установки на трубопроводах с Æ от 4 до 100 мм. 3. Простота.

Недостатки: 1. Устанавливаются только на вертикальных трубопроводах. 2. При низких до 50 °С и низких давлениях.

Ротаметр со­стоит из вертикальной конусной расширяющейся к верху стеклянной труб­ки 1, внутри которой находится чувствительный элемент 2, выполненный в виде поплавка.

Рис. 14 – Внешний вид ротаметра

 

Под действием потока жидкости или газа поплавок вертикально перемещается и одновременно прихо­дит во вращательное движение и центрируется в середине потока.

В качестве поплавкового материала используют: эбонит, сталь, пластмасса, бронза.

Измерение уровня

 

Технические средства, предназначенные для измерения уровня жидкости называются уровнемерами.

Приборы предназначенные для сигнализации предельных уровней жидкости – это сигнализаторы уровня.

Для дистанционного измерения применяют метод измерения по разности давлений с помощью дифманометров.

Используется метод контроля уровня с помощью указательных стёкл (визуальный отсчёт) поплавка и буйка. Кроме данных уровнемеров существуют ёмкостные, ультразвуковые, акустические уровнемеры.

Уравнемеры можно подразде­лить на следующие разновидности:

а) механические, использующие попла­вок или другое тело, находящееся на поверхности жидкости;

б) гидростатические, использующие сообщающиеся сосуды со средами одинаковой или различной плотности по сравнению с измеряемой средой;

в) манометрические, измеряют раз­ность гидростатических давлений в измеряемой и в сравнительной (эталонной) ёмкости с помощью дифференциальных манометров;

г) пневмометрические, измеряют давление воздуха (или иных газов), вдуваемого под слой жид­кости;

д) радиоизотопные, используют интенсивность потока ядерных излучений, зависящих от уровня жидкости;

е) ёмкостные, использующие электриче­ские емкости, величина которых зависит от уровня жидкости.

 

Мкостные уровнемеры

Работают на основе зависимости электрической ёмкости конденсаторного преобразователя от уровня жидкости.

Недостатки: не применяются для изме­рения уровня вязких (более 0,980 Па × с), пленкообразующих, кри­сталлизующихся и выпадающих в осадок жидкостей, а также взры­воопасных сред.

В зависимости от электрических характеристик жидкости разделяют на неэлектропроводные и электропроводные уровнемеры. Принципиальное различие состоит в том, что один из электродов преобразователя для измерения уровня электропровод­ных жидкостей покрывается электри­ческой изоляцией, а электроды пре­образователей для неэлектропроводных пых жидкостей не изолируют.

Рис. 18 – Схема устройства емкостного преобразователя для измерения уровня неэлектропроводных жидкостей

 

Преобразователи емкостных уровнемеров выполняют цилиндрического и пластинчатого типа, а также в виде жесткого стержня или троса. В последнем случае вто­рым электродом служит металличе­ская стенка резервуара.

Две трубы 2 и 3 расположены коаксиально в резервуаре 1 с измеряемой жидкостью; 4 – изолятор.

тема 1.1. ВЕДЕНИЕ. оБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИИ И МЕТЕРОЛОГИЙ.