А. А. Рульнов, И. И. Горюнов, К. Ю. Евстафьев

А.А.РУЛЬНОВ, И.И.ГОРЮНОВ, К.Ю.ЕВСТАФЬЕВ

АВТОМАТИЧЕСКОЕ

РЕГУЛИРОВАНИЕ

УЧЕБНИК

Для учащихся средних строительных

Специальных учебных заведений

Допущено Государственным комитетом

Российской Федерации по строительству

и жилищно-коммунальному комплексу

в качестве учебника для студентов

средних специальных учебных заведений,

обучающихся по специальности 2914 «Монтаж и эксплуатация

внутренних сантехнических устройств и вентиляции»

 

Москва

ИНФРА-М

ВВЕДЕНИЕ

В нашей стране и за рубежом с каждым годом рас­ширяются объемы работ по автоматизации инженерных систем зданий и сооружений. В каждом проекте строительства этих объек­тов наряду со строительно-технологическими решениями разра­батываются системы их автоматизации. Автоматизация сантехни­ческих устройств и вентиляции, входящих в состав инженерных систем, является одним из важнейших источников экономии топливно-энергетических ресурсов, затрачиваемых на теплоснаб­жение систем зданий и сооружений. Автоматизация призвана также коренным образом преобразовать рабочие места, сделать труд работников жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ) более производительным, творческим и привлекательным. Эти важней­шие социальные и экономические задачи постоянно подчеркива­ются в постановлениях директивных органов нашей страны по строительству и ЖКХ. Особое внимание в этих документах обра­щается на необходимость повышения эффективности эксплуата­ции зданий и сооружений за счет внедрения нового оборудования и средств автоматического контроля и управления.

Автоматизация инженерных систем и протекающих в них технологических процессов — это совокупность технических средств и методов, освобождающих человека в определенной степени или полностью от функций контроля и управления. Иначе говоря, автоматизация обеспечивает замену физического и умст­венного труда человека, затрачиваемого на контроль и управление, работой технических средств (от простейших измерительных при­боров и регуляторов до современных управляющих вычислитель­ных машин), обеспечивающих это управление без вмешательства человека, в функции которого входят только наблюдение за тех­ническими средствами и подготовка их к работе.

Таким образом, автоматизация является высшей формой орга­низации работы инженерных систем. При этом совокупность тех­нических средств автоматики совместно с помещением (объектом управления) и оборудованием, поддерживающим заданный режим, образуют систему управления.

Любая форма автоматизации инженерных систем (частичная, комплексная, полная) всегда начинается с автоматического контроля за различными параметрами технологических процессов, осуществляемого с помощью измерительных приборов. Контро­лируемые параметры в инженерных системах различны: давление, температура, уровень расхода воздуха, жидкости, энергии или другой среды. Внедрение автоматического контроля позволяет перейти к автоматическому управлению, которое организуется чаще всего в виде двух ступеней. На верхней ступени цель управ­ления — отыскание оптимального режима работы инженерной системы, на нижней — обеспечение минимальных отклонений теплотехнических параметров от их оптимальных значений, т. е. стабилизация параметров. При решении задач стабилизации вместо автоматического управления чаще применяют термин автоматическое регулирование.

Автоматическое управление инженерными системами сопро­вождается технологической сигнализацией и автоматической защитой. Технологическая сигнализация бывает командная, конт­рольная, предупредительная и аварийная. Командная сигнали­зация служит для передачи типовых управляющих сигналов от одного элемента управления к другому или объекту управления. Контрольная сигнализация извещает обслуживающий персонал о включении в работу или остановке отдельных механизмов обо­рудования, о положении запорных органов на различных комму­никациях. Предупредительная сигнализация служит для извещения персонала о возникновении опасных изменений эксплуатацион­ного режима, грозящих аварией при их дальнейшем развитии. Аварийная сигнализация информирует персонал о происшедшем аварийном отключении оборудования.

Автоматическая защита предохраняет от аварий механизмы при недопустимых отклонениях параметров технологического про­цесса или с помощью автоматической блокировки предохраняет механизмы от неправильных действий дежурного персонала (вслед­ствие невнимательности или ошибочных действий при аварии). Различают блокировки запретно-разрешающие и аварийные. Пер­вые устраняют возможность неправильных или несвоевременных включений и отключений механизмов, а также несоблюдение установленной технологическим регламентом очередности пуска и остановки различных механизмов. Вторые блокировки предна­значены для последовательного отключения оборудования, распо­ложенного до элемента инженерной системы, подвергшегося аварийному отключению.

Наряду с автоматическим управлением в зданиях и сооруже­ниях используются и другие виды управления, к которым прежде всего относятся дистанционное и телеуправление. Дистанционное управление — это ручное управление на расстоянии регулирующими и запорными органами или отдельными механизмами, осущест­вляемое с помощью пневматических или электрических приводов. В инженерных системах наибольшее распространение получили электроприводы, двигатели или электромагниты, которые обычно монтируются на регулирующем органе, а устройства управления ими располагают на некотором расстоянии от него, чаще всего в диспетчерском пункте. Дистанционное управление применяется либо самостоятельно, либо параллельно с автоматическим управ­лением. Телеуправление — это более сложная форма дистанцион­ного управления. Оно осуществляется с помощью телемеханичес­ких устройств, позволяющих передавать большое число различных сигналов одновременно по одной линии связи или по небольшому их числу. Оба вида управления позволяют реализовать диспетче­ризацию, что необходимо для четкой координации и взаимной увязки режимов работы отдельных инженерных систем в соответствии с изменением нагрузок во времени.

 

Глава 1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЯХ И ПРИБОРАХ

 

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ТЕХНИКИ ИЗМЕРЕНИЙ

Первой функцией управления, подвергшейся автомати­зации, было измерение. Измерительный прибор с индикатором заменяет органы чувств человека, обеспечивает быстрые и доста­точно точные измерения. При необходимости к нему можно под­ключить регистрирующий прибор (РП), записывающий динамику изменения технологических параметров (рис. 1.1). Эти данные могут использоваться для анализа протекания технологического процесса (ТП), а диаграмма, записанная регистратором, служит отчетным документом. Функции оператора (О) при автоматической индикации сводятся к определению ошибки управления, а также реализации регулирующего воздействия.

Небольшие технические усовершенствования позволили пе­рейти от автоматической индикации к автоматическому контролю. В этом случае оператор получает информацию об отклонении технологических параметров от заданных значений. Система авто­матического контроля кроме измерителя и индикатора содержит устройство сравнения (УС) и задатчик (ЗД) — устройство, которое помнит значение технологического параметра. Разделение функ­ций между оператором и системой контроля показано на рис. 1.2. Таким образом, задачей контроля (от французского controle — про­верка чего-либо) является обнаружение событий, определяющих

ход того или иного процесса. В случае когда эти события обнару­живаются без непосредственного участия человека, такой контроль называют автоматическим.

Важнейшей составной частью контроля является измерение физических величин, характеризующих протекание процесса. Такие величины называются параметрами процесса. Технологические процессы в инженерных системах характеризуются значениями таких физических величин (параметров), как влажность, давление, температура, уровень, расход и количество жидких и газовых сред.

Измерением называют нахождение значения физической ве­личины опытным путем с помощью специальных технических средств. Конечной целью любого измерения является получение количественной информации об измеряемой величине. В про­цессе измерения устанавливается, во сколько раз измеряемая физическая величина больше или меньше однородной с нею в каче­ственном отношении физической величины, принятой за единицу.

Если Q — измеряемая физическая величина, [ Q ] — некото­рый размер физической величины, принятой за единицу измере­ния, q — числовое значение Q в принятой единице измерения, то результат измерения Q может быть представлен следующим равенством:

Q=q[Q] (1.1)

Уравнение (1.1) называют основным уравнением измерения. Из него следует, что значение q зависит от размера выбранной единицы измерения [Q\. Чем меньше выбранная единица, тем больше для данной измеряемой величины будет числовое значение. Например, длина 1 м равна 10 дм, 100 см и т. д.

Результат всякого измерения является именованным числом. Поэтому для определенности написания результата измерения рядом с числовым значением измеряемой величины ставится со­кращенное обозначение принятой единицы измерения. В нашей стране в соответствии с ГОСТ 9867—61 с 1963 г. действует Меж­дународная система единиц измерения, которая сокращенно обо­значается СИ. С учетом результатов первого периода внедрения этого государственного стандарта в 1982 г. был введен в действие новый ГОСТ 8.417—81 «ГСИ. Единицы физических величин». В настоящее время система СИ принята в большинстве стран мира и признана всеми международными организациями. Сведения о значениях измеряемых величин называют измерительной ин­формацией.

Сигналом измерительной информации называется сигнал, функ­ционально связанный с измеряемой физической величиной (напри­мер, сигнал от термометра сопротивления). Средством измерения называют устройство, используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические свойства. Сигнал измеритель­ной информации, поступающий на вход средства измерений, называют входным сигналом, получаемый на выходе — выходным сигналом средства измерений.

 

ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ

Любые теплотехнические измерения относительны, по­скольку всегда существует положительная и отрицательная раз­ность между наблюдаемым или численным значением измеряемой величины и ее истинным значением, называемая погрешностью. Таким образом, погрешность — это отклонение результата изме­рения от истинного значения измеряемой величины.

Погрешности измерения в зависимости от их происхождения разделяются на три группы; систематические, случайные и субъек­тивные (промахи).

Систематические погрешности имеют постоянный характер и по причинам возникновения делятся: на инструментальные; погрешности от неправильной установки средств измерений; погрешности, возникающие вследствие внешних влияний; мето­дические (теоретические) погрешности.

Инструментальные погрешности могут вызываться конструк­тивными и технологическими погрешностями, а также износом и старением средств измерений.

Конструктивные погрешности вызываются несовершенством конструкции или неправильной технологией изготовления средств измерений. Плохая балансировка измерительного механизма, не­точности при нанесении отметок шкалы, некачественная сборка прибора вызывают технологическую погрешность. Конструктивная погрешность у приборов одного типа постоянна, технологическая же погрешность меняется от экземпляра к экземпляру. Длитель­ная или неправильная эксплуатация прибора, а также длительное хранение приводят к погрешностям, которые называют погреш­ностями износа и старения.

Погрешности от неправильной установки могут вызываться наклоном прибора, т. е. отклонением от нормального рабочего положения; установкой на ферромагнитный щит прибора, граду­ированного без щита; близким расположением приборов друг к другу.

Погрешности, возникающие вследствие внешних влияний, вы­зываются вибрацией, электромагнитными полями, конвекцией воздуха и др.

Наиболее сильное воздействие на показания приборов ока­зывает изменение температуры окружающей среды. Даже незна­чительные перепады температуры между отдельными элементами прибора приводят к заметным погрешностям вследствие, например, возникновения паразитных термоЭДС. Поэтому не рекомендуется устанавливать приборы вблизи источников тепла.

Методические погрешности возникают в результате несовер­шенства метода измерений и теоретических допущений (исполь­зование приближенной зависимости вместо точной). К таким погрешностям относятся, например, погрешности, обусловленные пренебрежением внутренним сопротивлением прибора, т. е. пре­небрежением собственным потреблением электроэнергии.

Для исключения погрешности до начала измерений следует определить причину, вызывающую погрешность, и устранить ее. Например, если погрешность вызывается влиянием внешнего электромагнитного поля, то нужно либо экранировать прибор, либо удалить источник помехи. Для исключения температурной погрешности средство измерения термостатируют, вибрацию уст­раняют путем установки амортизаторов. В процессе измерения погрешность устраняется применением специальных методов измерения.

Случайные погрешности вызываются независящими друг от друга случайными факторами и изменяются случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины. Проявляются случайные погрешности в том, что при измерениях одной и той же неизменной величины одним и тем же средством измерения и с той же тщательностью получают различные показания. Следует отметить, что если при повторных измерениях одной и той же величины и тем же средством измерения получают совершенно одинаковые результаты, то это обычно указывает не на отсутствие случайной составляющей погрешности, а на недостаточную чув­ствительность средства измерения. Полностью совпадающие, как и сильно разнящиеся результаты наблюдений при измерениях одинаково свидетельствуют о их неточности. Случайные погреш­ности могут возникнуть, например, из-за трения в опорах, люфтов в сочленениях кинематической схемы измерительного прибора, неправильного режима работы электронных устройств и по многим другим, труднообъяснимым причинам. Знак случайных погреш­ностей ±.

Субъективные погрешности (промахи) — это погрешности, вызванные ошибками лица, производящего измерение (например, неправильный отсчет по шкале прибора, неверное подключение проводов к датчику и др.).

Погрешности измерений устанавливаются при поверке — опре­делении метрологическим органом погрешностей средств изме­рений и установления пригодности их к применению (применять сочетание слов поверка показаний не рекомендуется, следует гово­рить поверка средств измерений). Слово проверка применяется для установления комплектности или оценки состояния взаимодей­ствия элементов. Зависимость между значениями величин на выходе и входе средства измерений, составленная в виде таблицы, графика или формулы, называется градуировочной характеристикой, определение которой называется градуировкой средств измерения (термин тарировка устарел и применять его не рекомендуется).

Различают абсолютные и относительные погрешности измере­ния. Абсолютная погрешность Δ— это разность между измеренным Χ и истинным Х _И значениями измерений, которая выражается в единицах измеряемой величины:

Δ = Х-Х _И. (1.2)

Поскольку истинное значение измеряемой величины опреде­лить невозможно, на практике используют действительное значе­ние измеряемой величины Х _Д, которое находят экспериментально по показаниям образцовых средств измерений. Таким образом, абсолютную погрешность находят по формуле

Δ≈Х-Х _д (1.3)

Относительная погрешность δ — это отношение абсолютной погрешности измерения к истинному (действительному) значению измеряемой величины, выраженное в процентах:

δ = ±(Δ/Х_и)100 ≈ ±(Δ/Х_д)100. (1.4)

Абсолютная погрешность измерительного прибора Δ_п — это раз­ность между показанием Х _П прибора и истинным значением изме­ряемой величины. Поскольку, как указывалось выше, истинное значение величины остается неизвестным, на практике вместо него пользуются действительным значением величины Х _Д, отсчи­танным по образцовому прибору. Таким образом,

Δ_п = Х _П - Х _д (1.5)

Относительная погрешность измерительного прибора δ_П — это отношение абсолютной погрешности измерительного прибора к действительному значению измеряемой величины. Относитель­ную погрешность выражают в процентах:

δ _П= ±(Δ_П/Δ_д)100. (1.6)

Приведенная погрешность измерительного прибора ν_п — это отношение абсолютной погрешности измерительного прибора к нормирующему значению X_N (выражается в процентах):

 

ν_п =±(Δ_П/Х_N)100. (1.7)

Нормирующее значение X_N— условно принятое значение, ко­торое может быть равным верхнему пределу измерений, диапазону измерений, длине шкалы и др. Как правило, за нормирующее зна­чение принимаются: конечное значение диапазона измерений (для приборов, имеющих нулевую отметку на краю шкалы); арифме­тическая сумма конечных значений диапазона измерений (для приборов, имеющих двустороннюю шкалу, т. е. нулевую отметку в середине шкалы), например, для термометра со шкалой от —50 до +50 °С величина убудет определяться суммой 50 + 50 = 100; разность конечного и начального значений диапазона измерений для приборов со шкалами без нуля (так называемые шкалы с «по­давленным нулем»), например, для прибора со шкалой 30—160 "С величина будет определяться разностью 160 — 30 = 130.

Абсолютная и относительная погрешности в соответствии с выражениями (1.5)—(1.7) связаны с приведенной следующими соотношениями:

 

Δ=ν_пХ_N/100; (1.8)

δ=δ_пХ_N/100. (1.9)

На показания приборов оказывают значительное влияние внешние факторы, называемые влияющими величинами. Область значений влияющей величины, устанавливаемая в стандартах или технических условиях на средства измерения данного вида в качестве нормальной для этих средств измерений, называется нормальной областью значений. При нормальном значении влия­ющей величины погрешность средств измерений минимальна. Условия применения средств измерений, при которых влияющие величины (температура и влажность окружающей среды, характер вибрации, напряжение питания, величина внешнего магнитного и электрического поля и т. д.) находятся в пределах нормальной области значений, называются нормальными условиями применения средств измерений. Нормальные условия указываются в техничес­ких условиях заводов — изготовителей приборов.

 

ИЗМЕРЕНИЕ УРОВНЯ ЖИДКОСТЕЙ

В инженерных системах зданий и сооружений широко при­меняются технические средства для непрерывного измерения уровня (уровнемеры) и устройства для сигнализации предельных уровней (сигнализаторы уровня, реле уровня). Уровень измеряется в метрах (м) и миллиметрах (мм).

Для измерения и регулирования уровня применяются раз­личные приборы, основанные на разных принципах действия: дифманометры-уровнемеры, пьезометрические, поплавковые и емкостные уровнемеры. Если дистанционная передача показа­ний не требуется, то уровень жидкости с достаточной точностью и надежностью можно измерять или показывающими дифманометрами, принцип действия которых описан выше, или с помощью указательных стекол. Измерение уровня жидкости указательными стеклами основано на принципе действия сообщающихся сосудов. В соответствии с ГОСТ 18140—84 верхние пределы измерений или сумму абсолютных значений верхних пределов измерений дифманометров-уровнемеров следует выбирать из ряда: 0, 25; 0, 4; 0, 63; 1, 0; 1, 6; 2, 5; 4, 0; 6, 3; 10; 16; 25; 40; 63; 100 и 160 м высоты столба жидкости, уровень которой измеряют.

Принцип действия поплавковых (буйковых) уровнемеров (типа РМ-51, УДУ-10, ДУЖЕ-200М, УБ-П) основан на использовании выталкивающей силы, действующей на поплавок (буек), погру­женный в жидкость. Чувствительным элементом таких уровне­меров (рис. 2.9, а) является поплавок 1, плавающий на поверхности жидкости. Перемещение поплавка, вызванное изменением уровня, воспринимается передающим преобразователем Пр. Следует иметь в виду, что при использовании поплавковых (буйковых) уровне­меров на средах, склонных к налипанию, появляется дополнитель­ная погрешность, связанная с изменением массы поплавков, что приводит к изменению глубины погружения и ограничивает их применение.

Емкостные уровнемеры (типа ЭИУ-2, РУС, ДКУ-1) широко используют для сигнализации и дистанционного измерения уровня

жидких и сыпучих сред. Принцип действия этих приборов основан на измерении электрической емкости, величина которой зависну от уровня контролируемой среды.

Для электропроводных сред применяют первичные преоб­разователи с одним электродом 2 (рис. 2.9, б), покрытым слоем изоляции 3. Вторым электродом является измеряемая среда 4. При изменении уровня меняется величина поверхности обкладки кон­денсатора, образованного электродом и измеряемой средой, что приводит к изменению его емкости пропорционально изменению контролируемого уровня. Измерение емкости и преобразование ее в пропорциональный изменению уровня выходной сигнал осу­ществляются промежуточным преобразователем Пр.

Для измерения уровня неэлектропроводных сред (рис. 2.9, в) применяют первичный преобразователь с двумя неизолирован­ными электродами 2 (одним из электродов могут быть стенки резервуара). Для каждого значения уровня среды в резервуаре емкость первичного преобразователя определяется как емкость двух параллельно соединенных конденсаторов, один из которых образован частью электродов преобразователя и средой, уровень которой измеряется, а второй — остальной частью электродов преобразователя и воздухом. При повышении уровня, например, происходит замещение воздуха в пространстве между электродами и измеряемой средой, которая обладает существенно отличной диэлектрической проницаемостью. В результате этого меняется емкость между электродами.

В инженерных системах зданий и сооружений широко распро­странены сигнализаторы уровня (электроконтактные и емкостные устройства для сигнализации уровня среды). Принцип действия электроконтактных сигнализаторов уровня основан на замыкании электрической цепи между электродами датчика или электродом и стенкой емкости при их соприкосновении с поверхностью элект­ропроводящей среды. Электроды необходимой длины устанавли­вают либо вертикально, либо горизонтально на емкостях, в которых необходимо контролировать уровень среды.

 

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ

Температура (от лат. temperatura — нормальное состояние) — физическая величина, характеризующая состояние термодинами­ческого равновесия системы и являющаяся одним из основных параметров в инженерных системах. Она отличается рядом принципиальных особенностей, обусловивших необходимость применения разнообразных методов и технических средств для ее измерения.

Для измерения температуры были предложены различные температурные шкалы, а наибольшее распространение получила 100-градусная температурная шкала Цельсия. По этой шкале за основные (реперные) точки, ограничивающие основной темпе­ратурный интервал, были приняты точка плавления льда (0°С) и точка кипения воды (100° С) при нормальном атмосферном давлении. Единица температуры, равная одной сотой части основного температурного интервала, получила название градус. По шкале Цельсия градус обозначается прибавлением к числовому значению температуры в градусах символов ˚С, например 94 °С. За рубежом наряду с условной температурной шкалой Цельсия используют шкалу Фаренгейта в градусах Фаренгейта — °F и шкалу Реомюра в градусах Реомюра — °R: 1 ˚С = 1, 8 °F = 0, 8 °R.

Температурные шкалы строятся на допущении о линейной зависимости между термометрическими (физическими) свойствами тела и температурой. В действительности нет ни одного такого свойства, которое в полной мере могло бы удовлетворить этим требованиям во всем интервале измеряемых температур.

Независимой от свойств термометрического вещества является термодинамическая температурная шкала, предложенная в сере­дине XIX в. Кельвином. В этой шкале нижней границей основ­ного температурного интервала служит точка абсолютного нуля (0 °К), а в качестве верхней границы принята «тройная точка воды», лежащая выше точки таяния льда на 0,1 ˚С. Этой точке было присвоено числовое значение 273,16 °К. Тройной точкой воды называется температура равновесия между тремя фазами воды: твердой (лед), жидкой (вода) и газообразной (пары воды).

Единицей термодинамической температуры является Кельвин (К) вместо прежнего наименования — градус Кельвина (°К). Еди­ница кельвин равна 1/273,16 части интервала от абсолютного нуля температуры до температуры тройной точки воды. Теоретическая термодинамическая шкала не получила широкого практического применения из-за больших трудностей ее реализации. Более удоб­ной оказалась международная практическая температурная шкала (МПТШ).

. Согласно МПТШ и введенному в нашей стране ГОСТ 8.157—75 предусматривается применение двух температурных шкал: термо­динамической температурной шкалы и практической температур­ной шкалы. Температура по этим шкалам выражается двояко: в кельвинах (К) и в градусах Цельсия (°С). Градус Цельсия равен кельвину (1 К = 1 °С). Между температурой Т, выраженной в кельвинах, и температурой t, выраженной в градусах Цельсия,' установлено соотношение

t=T-T₀, (2.14)

где Т₀ = 273,16 К (температура тройной точки воды 273,16 К соответствует, как указывалось выше, 0,01 °С, следовательно, 273,16 К — температурный промежуток, на который смещено начало отсчета). Наименование «градус Цельсия» дано в честь шведского астронома и физика А. Цельсия. Наименование «кельвин» дано В честь английского физика Уильяма Томсона- Кельвина.

Существуют контактные и бесконтактные методы измерения температуры. В первом случае необходимо обеспечить надежный тепловой контакт чувствительного элемента прибора с объектом измерения. При отсутствии возможности такого контакта приме­няют различные бесконтактные методы измерения.

Средство для контактного измерения температуры называется термометром. По принципу действия термометры разделены на три группы: расширения, сопротивления и термоэлектрические.

Действие термометров расширения основано на тепловом расширении (изменении объема) термометрического вещества (жидкостные, газовые) или линейных размеров твердых тел (дилато­метрические, биметаллические) в зависимости от температуры. Пределы измерения этими термометрами составляют от -190 до +600 "С.

Жидкостный стеклянный технический термометр (рис. 2.10, а) имеет заполненный жидкостью (обычно ртутью) резервуар 1, тонкостенную капиллярную трубку 2, пластину 3 с нанесенной на ней шкалой, наружную стеклянную оболочку 4. Такие термо­метры применяются для измерения температуры от -90 до +30 °С и от -60 до +200 °С. Их изготавливают прямыми (типа П и А) и угловыми — изогнутыми под углом 90 или 135° (типа У и Б). Нижняя часть выполняется различной длины (от 66 до 2000 мм).

Для предохранения стеклянной оболочки от повреждения термометры помещают в защитные стальные оправы 5, которые, как и термометры, выполняют прямыми и угловыми. Для сигна­лизации и измерения температуры в лабораторных и производст­венных условиях применяют технические термометры — ртутные электроконтактные (типа ТПК или ТЭК).Ихизготавливают

с электроконтактами, впаянными к капиллярную трубку термо­метра. Замыкание или размыкание электрической цепи между контактами происходит вследствие расширения или сжатия ртути при нагревании или охлаждении нижней части термометра.

Принцип действия манометрических термометров (типа ТДГ, ТПГ, ТДЖ, ТПЖ, ТКП и др.) основан на изменении давления рабочего (термометрического) вещества в замкнутой герметичной термосистеме (рис. 2.10, б), состоящей из термобаллона 6, погру­жаемого в среду, температура которой измеряется, гибкого соеди­нительного капилляра 7 и манометрической трубчатой пружины 8; один конец пружины впаян в держатель 9, канал которого соеди­няет внутреннюю полость пружины, герметизирован и шарнирно через тягу 10, зубчатый сектор 11 я шестерню 12 связан с пока­зывающей стрелкой прибора 13.

Термосистема термометра заполнена рабочим веществом: газом, жидкостью или смесью жидкости с ее насыщенным паром. При нагревании термобаллона увеличивается давление рабочего вещества в замкнутом объеме герметичной термосистемы, вследст­вие чего пружина деформируется (раскручивается) и ее свобод­ный конец перемещается. Движение свободного конца пружины передаточными механизмами 10, 11, 12 преобразуется в переме­щение указателя относительно шкалы прибора, по которой про­изводят отсчет температуры.

Дилатометрические и биметаллические термометры основаны на использовании свойств твердого тела изменять свои линейные размеры при изменении температуры. Действие биметалличес­кого термометра основано на измерении разности линейных рас­ширений при нагревании двух сваренных между собой по всей плоскости соприкосновения разнородных металлов, обладающих различными коэффициентами линейного расширения. При на­гревании биметаллического элемента он изгибается в сторону металла с меньшим коэффициентом линейного расширения и при заданной температуре замыкает контакты. Биметаллические тем­пературные реле применяются для интервала температур от -60 до +300 °С.

Дилатометрический термометр (типа ТУДЭ, РТ и др.) состоит из металлической трубки, внутри которой имеется связанный с донышком трубы стержень, причем материал стержня обладает меньшим коэффициентом линейного расширения, чем материал трубки. При измерении трубка должна быть полностью погружена в среду, температура которой измеряется. С повышением темпера­туры среды трубка удлиняется больше, чем стержень, вследствие чего он перемещается вниз. Это перемещение стержня через си­стему рычагов преобразуется в перемещение стрелки относитель­но шкалы прибора. Пределы измерения таких термометров со­ставляют от -150 до +700 °С.

Принцип действия термометра сопротивления (рис. 2.11) ос­нован на зависимости электрического сопротивления чувствитель­ного элемента от температуры. Чувствительным элементом тер­мометра сопротивления является тонкая платиновая или медная проволока 1, намотанная на каркас, заключенный в защитную арматуру 2. Концы проволоки в колпачке 4 приварены к выво­дам, которые соединяются с кабелем для передачи показаний. Штуцер 3 служит для монтажа термометра.

 

 

Платиновые термометры сопротивления (ТСП) используются для измерений от -200 до +650 "С, медные термометры сопро­тивления (ТСМ) — для измерений от -50 до +180 °С. Наиболее благоприятные для надежной работы этих термометров верхние пределы измерения составляют: 600 °С для ТСП и 100 °С для ТСМ.

Термометры сопротивления, чувствительные элементы кото­рых изготовлены из полупроводниковых материалов, называются термисторами или терморезисторами. Их применяют для изме­рения температуры от -90 до +180 "С.

Передача информации от термометров сопротивления осуще­ствляется с помощью логометров и мостов, измеряющих измене­ние электрического сопротивления термометра при изменении температуры контролируемой среды. Логометры сегодня почти не применяются в связи с широким распространением автомати­ческих электронных мостов, имеющих более высокий касс точ­ности.

Принципиальная схема уравновешенного моста с включен­ным термометром сопротивления R_t изображена на рис. 2.12 (R₁ и R ₃ — резисторы с постоянными известными сопротивлениями, R₂ — реохорд, который является регулируемым плечом моста). Сопротивление двух соединительных линий 2Я_Л прибавляется к сопротивлению термометра R_t. К одной из диагоналей моста (BD)

 

 

подключен внешний источник постоянного тока, к измерительной диагонали АС — чувствительный измерительный прибор (нуль-- прибор НП). Для равновесия моста необходимо, чтобы произведе­ния параллельных плеч моста были равны, т. е. R₁(R_t + 2R_л) = R₂R₃. Отсюда R_t = (R₃/R₁)R₂ – 2R _л.

Изменяя значение сопротивления R₂ путем перемещения движка реохорда, всегда можно добиться такого состояния схемы, при котором при определенном соотношении между сопротивле­ниями плеч моста потенциалы точек А и С, а следовательно и ток в нуль-приборе НП, равны нулю. Такое состояние обычно назы­вают состоянием равновесия схемы.

При изменении сопротивления термометра R_t нарушается рав­новесие моста. Поскольку мостовая схема приходит в равновесие при равенстве произведений сопротивлений противоположных плеч, то, перемещая движок реохорда R₂, можно найти положе­ние равновесия схемы по отсутствию отклонения стрелки нуль-прибора. Таким образом, по положению движка реохорда можно определить значение измеряемого сопротивления термометра, а следовательно, и его температуру. Следует отметить, что вели­чина сопротивления 2R _л в общем случае может изменяться, так как сопротивление приводам зависит от колебаний температуры окружающей среды. Если возникающие при этом погрешности измерения превышают допустимые пределы, то применяют так называемую техпроводную схему подключения термометра. При этом минус источника питания с помощью дополнительного третьего привода подключается непосредственно к термометру сопротивленияR _t. Кроме того, сопротивления соединительных линий R _л должны быть равны между собой. Для выполнения этого условия в цепь соединительных линий последовательно включают специальные уравнительные катушки с номинальным сопротив­лением 2,5 Ом. Изменением сопротивлений этих катушек можно добиться равенства сопротивлений соединительных линий.

Описанный выше способ измерения температуры применяется в лабораторных условиях. В промышленных условиях для этих целей применяют автоматические электронные мосты типа КСМ-4 и др. (рис. 2.13), в измерительную диагональ которых вместо нуль-прибора включают электронный фазочувствительный усилитель ЭУ, а движок реохорда и каретка с указателем и пером перемеща­ются реверсивным электродвигателем РД, подключенным к вы­ходу этого усилителя. Если температура среды не меняется, то сопротивление термометра R_t также не изменяется и мостовая измерительная схема находится в равновесии, т. е. разность по­тенциалов между точками А и С равна нулю, сигнал на ЭУ не поступает, движок реохорда неподвижен, стрелка показывает изме­ряемое значение температуры.

При изменении температуры изменяется сопротивлени