Измерение расхода и количества веществ

Расход вещества определяется его количеством, проходя­щим в единицу времени через данное сечение канала (например, трубопровода). Различают массовый расход Q_M и объемный расход, обозначаемый через Q₀ (или (Q_υ).

Массовый расход определяют как массу вещества, проходящего через поперечное сечение потока в единицу времени. В системе СИ единицей массового расхода является килограмм в секунду (кг/с).

Объемный расход определяют как объемное количество веще­ства в м³, проходящее через сечение потока в единицу времени. В системе СИ единицей объемного расхода является кубический метр в секунду (м³/с).

Внесистемными единицами, широко распространенными на практике, для массового расхода служат килограмм в час (кг/ч) и тонна в час (т/ч), а для объемного — кубический метр в минуту (м³/мин), кубический метр в час (м³/ч), литр в секунду (л/с), литр в минуту (л/мин) и литр в час (л/ч).

Соотношения между единицами расхода следующие: массовый — 1 кг/с = 3, 60 • 103 кг/ч = 3, 60 т/ч; объемный — 1 м³/с = 60 м³/мин = 3, 60 • 103 м³/ч = 103 л/с = = 3, 60 • 103 л/ч.

Для получения сравнимых результатов измерений объемный расход газа приводят к нормальным условиям, которыми при про­мышленных измерениях считаются: температура — Т_ном = 293,15 К (или /_ком = 20 °С); давление — р_ном = 101 325 Па (1, 0332 кгс/см²); относительная влажность — ср = 0.

Объемный расход газа, приведенный к нормальному состо­янию, обозначают через Q_H0M и выражают в м³/ч. Недопустимо выражать расход вещества в кг/с, Н/с, дин/с, а также в нм³/ч. Указание на вид измеряемой величины, объемный расход газа при нормальных условиях должны входить в наименование этой вели­чины (например, Q_H0M), а не в обозначение единицы величины. Для перевода массового расхода в объемный и объемного в мас­совый используют выражения

Q₀= Q_м/ρ и Q_M= Q_o ρ, (2.7)

где ρ — плотность вещества, кг/м³.

Устройство для измерения количества вещества, протекающего через данное сечение трубопровода за некоторый промежуток вре­мени (смену, сутки и т. д.), называют счетчиком количества. При этом количество вещества определяется как разность двух пока­заний счетчика в начале и в конце этого промежутка. Показания счетчика выражаются в единицах объема, а иногда в единицах массы.

Устройство для измерения расхода, т. е. количества вещества, протекающего через данное сечение трубопровода в единицу вре­мени — час (ч), называют расходомером, а для измерения расхода и количества вещества одновременно — расходомером со счетчи­ком. Счетчики (интегрирующие устройства) могут быть встроены практически во все приборы, измеряющие расход.

Для измерения расхода и количества жидкостей и воздуха при­меняются расходомеры, которые можно разделить на следующие группы: переменного перепада давления в сужающем устройстве; постоянного перепада давления (обтекания); электромагнитные и переменного уровня. При напорном движении измеряемой среды, когда поток со всех сторон ограничен жесткими стенками, применяют первые две группы расходомеров.

Работа расходомеров переменного перепада давления основана на зависимости перепада давления, создаваемого установленным в трубопроводе неподвижным сужающим устройством, от расхода вещества. Принцип измерения по методу переменного перепада давления основан на известном в физике принципе неразрыв­ности установившегося движения жидкости и уравнении Бернулли для жидкости:

[(υ₂/2g) + (р/γ) +z] = const, (2.8)

где υ₂/2g — удельная кинетическая (скоростная) энергия;

(р/γ) + — удельная потенциальная энергия (давление) жид­кости.

Согласно принципу неразрывности поток протекающего в тру­бопроводе вещества во всех сечениях одинаков, следовательно, в один и тот же момент времени протекают одинаковые количе­ства этого вещества. Если на каком-то участке сечение сужается, то в этом месте скорость потока должна возрасти.

Согласно уравнению Бернулли устанавливается постоянство суммы удельных кинетической (скорость) и потенциальной (дав­ление) энергии в любом сечении потока. Следовательно, уве­личение скорости вызывает уменьшение статического давления.

Сужающее устройство выполняет функции первичного преобра­зователя и создает в трубопроводе местное сужение, вследствие чего при протекании через него вещества скорость в суженном сечении повышается по сравнению со скоростью потока до су­жения. Увеличение скорости, а следовательно и кинетической энергии, вызывает уменьшение потенциальной энергии потока в суженном сечении. Соответственно, статическое давление в су­женном сечении будет меньше, чем в сечении до сужающего устройства.

Таким образом, при протекании вещества через сужающее устройство создается перепад давления Δр=р₁ — р₂ (рис. 2.4, а), зависящий от скорости потока и, значит, от расхода среды. Следо­вательно, перепад давления, создаваемый сужающим устройством, может служить мерой расхода вещества, а численное значение этого расхода может быть определено по перепаду давления Δр, измеренному дифманометром. В качестве сужающих устройств для измерения расхода жидкостей, газов и пара применяют стандарт­ные и нестандартные устройства.

К стандартным (нормализованным) сужающим устройствам относятся диафрагмы, сопла, сопла и трубы Вентури, удовлетворя­ющие требованиям «Правил измерения расходов газов и жид­костей стандартными сужающими устройствами РД 50-213-80» и применяющиеся для измерения расхода веществ без их индиви­дуальной градуировки. К нестандартным сужающим устройствам относятся сегментные диафрагмы, диафрагмы с коническим входом, сопла с профилем «четверть круга», сдвоенные диафрагмы и др., применяемые в особых случаях (например, для загрязненных и вязких сред) и требующие индивидуальной градуировки, так как на их применение и изготовление нет утвержденных норм Госстандарта РФ. На практике в основном применяются стан­дартные (нормализованные) сужающие устройства.

Диафрагма (см. рис. 2.4, а) представляет собой тонкий плос­кий диск 1 с круглым отверстием, центр которого лежит на оси трубы. Отверстие имеет цилиндрическую и конусную части. Диа­фрагма всегда устанавливается цилиндрической частью (острой кромкой) против потока измеряемой среды. Сужение потока на­чинается до диафрагмы, и на некотором расстоянии за ней поток достигает минимального сечения. Затем поток постепенно расши­ряется до полного сечения трубопровода. Кривая, характеризующая распределение давлений вдоль стенки трубопровода, представле­на сплошной линией (см. рис. 2.4, а), а кривая распределения

давлений по оси трубопровода — штрихпунктирной линией. Как видно, давление за диафрагмой полностью не восстанавливается.

При протекании вещества через диафрагму за ней в углах об­разуется «мертвая зона», в которой вследствие разности давлений возникает обратное движение жидкости, называемое вторичным потоком. Двигаясь в противоположных направлениях, струйки основного и вторичного потоков вследствие вязкости среды свер­тываются в виде вихрей. На вихреобразование за диафрагмой затрачивается значительная часть энергии, а следовательно, имеет место и значительная потеря давления. Измерение направления струек перед диафрагмой и сжатие струи после нее оказывают незначительное влияние на величину давления. Отбор давлений р₁ и р₂ производится через расположенные непосредственно до и после диска диафрагмы два отдельных отверстия 2 (или специ­альные камеры), к которым подключаются импульсные соедини­тельные линии, идущие к измерительному прибору.

Сопло (рис. 2.4, б) представляет собой насадку с круглым кон­центрическим отверстием, имеющим плавно сужающуюся часть на входе и развитую цилиндрическую часть на выходе. Профиль сопла обеспечивает достаточно полное сжатие струи, поэтому пло­щадь (сечение) цилиндрической части сопла может быть принята равной наименьшему сечению струи (F₀ = F₂). Вихреобразование за соплом вызывает меньшую потерю энергии, чем у диафрагмы. Отбор давлений р₁ и р₂ осуществляется так же, как и у диафрагмы.

Сопло Вентури (рис. 2.4, в) конструктивно состоит из цилинд­рического входного участка, плавно сужающейся части, перехо­дящей в короткий цилиндрический участок, и из расширяющейся конической части — диффузора. При такой форме сужающего устройства в основном благодаря наличию выходного диффузора потеря давления значительно меньше, чем у диафрагмы и сопла. Отбор давлений р₁ и р₂ осуществляется с помощью двух кольце­вых камер, каждая из которых соединяется с внутренней полостью сопла Вентури группой равномерно расположенных по окруж­ности отверстий. Труба Вентури отличается от сопла Вентури тем, что входной цилиндрический участок переходит во входной конус, затем идут короткий участок (горловина) и диффузор.

Принцип измерения расхода вещества по перепаду давления, создаваемому сужающим устройством, и основные уравнения одинаковы для всех типов сужающих устройств, различны лишь некоторые коэффициенты в этих уравнениях, определяемые экспериментальным путем. В общем виде массовый Q_M (кг/с) и объемный Q₀ (м³/ч) расходы газов и жидкостей вычисляют по формулам

Q_M = αεF_{0 =}αε(πd²/4) (2.9)

Q₀ = αεF_{0 =}αε(πd²/4) _, (2.10)

где Δр = (p₁ — p₂) — перепад давления в сужающем устройстве, Па; d — диаметр отверстия сужающего устройства при темпера­туре измеряемой среды, м; р — плотность среды в рабочих условиях, кг/м³; α — коэффициент расхода, определяемый в зависимости от типа сужающего устройства (величина без­размерная); ε — безразмерный поправочный множитель на рас­ширение измеряемой среды, определяемый экспериментально (для несжимаемой жидкости ε= 1).

Специалисты-сантехники должны знать основные параметры измеряемой среды, необходимые в качестве исходных данных для расчета и выбора типа сужающего устройства на трубопроводах инженерных систем.

Для измерения расхода жидкостей, газов и пара по перепаду давления в сужающем устройстве применяются дифференциаль­ные манометры (дифманометры), принцип действия которых рас­смотрен ранее (см. рис. 2.3). По способу выдачи измерительной информации дифманометры подразделяют на показывающие и самопишущие.

В расходомерах постоянного перепада давления, называемых расходомерами обтекания, чувствительным элементом (рис. 2.5) является тело 1, воспринимающее динамическое давление обте­кающего его потока. Принцип действия таких расходомеров за­ключается в том, что при движении измеряемой среды снизу вверх чувствительный элемент (поплавок) перемещается, изменяя пло­щадь проходного отверстия до тех пор, пока вертикальная состав­ляющая силы, действующей на поплавок, не уравновесится его весом. При этом разность давлений на чувствительный элемент (перепад давления по обе стороны поплавка) останется постоян­ной. Таким образом, противодействующей силой в расходомерах этого вида является сила тяжести чувствительного элемента, вы­полняемого в виде поплавка. Сила любого сопротивления чув­ствительного элемента определяется зависимостью

F=ζS(υ² /2)ρ (2.11)

где ζ — коэффициент лобового сопротивления; S — площадь гидродинамического сечения чувствительного элемента; v — скорость движения измеряемой среды относительно чувстви­тельного элемента; ρ — плотность измеряемой среды.

 

Расходомер постоянного перепада давления с поплавком 1 (см. рис. 2.5), перемещающимся вдоль длинной конической труб­ки 2, называется ротаметром. Трубка ротаметров для местного измерения расхода выполняется из стекла или металла, а значение расхода отсчитывается непосредственно по шкале, нанесенной на ее стенке (соответственно ротаметры стеклянные типа PC и ме­таллические типа РМ).У ротаметров с дистанционной передачей поплавок связан с передающим преобразователем (пневматичес­ким или электрическим). Например, в электрических ротаметрах типа РЭ и РЭВ широко используются дифференциально-транс- форматорные преобразователи.

Для измерения расхода загрязненных жидкостей (в частности, природных и сточных вод) применяются электромагнитные и ще­левые расходомеры. Принцип действия электромагнитных расхо­домеров основан на законе электромагнитной индукции, по кото­рому проведенная в проводнике электродвижущая сила (ЭДС) пропорциональна скорости его движения в магнитном поле. Таким движущимся в магнитном поле проводником является электро­проводная жидкость, протекающая через первичный электромаг­нитный преобразователь расхода, установленный в трубопроводе. Измеряя ЭДС, наведенную в электропроводной жидкости, кото­рая при своем движении пересекает магнитное поле первичного преобразователя, можно определить среднюю скорость текущей жидкости, а вместе с ней и объемный расход. При круглом сечении трубопровода величина этой ЭДС равна

Е = υBd, (2.12)

где υ — средняя скорость потока жидкости; В — индукция маг­нитного поля; d — внутренний диаметр трубопровода.

Магнитное поле электромагнитного расходомера типа ИР (рис. 2.6, а) внутри участка трубы 1, выполненной из немагнит­ного материала и покрытой изнутри электроизоляционным слоем, создается электромагнитом 2. В пересекающей магнитное поле жидкости наводится ЭДС. В одном поперечном сечении трубо­провода диаметрально противоположно установлены два электро­да 3. Снимаемая с них разность потенциалов подается на вход промежуточного преобразователя Пр, где преобразуется в выходной сигнал, пропорциональный расходу. Электромагнитные расходо­меры могут применяться на жидкостях с удельной электрической проводимостью не менее 10^-3 См/м. Отсутствие в измерительном канале каких-либо сужающих устройств и движущихся деталей позволяет измерять расходы как однородных жидкостей, так

и суспензий и пульп, твердая фаза которых не содержит ферро­магнитных частиц.

Принцип действия щелевых расходомеров переменного уров­ня со сливом типа ЩРП (рис. 2.6, б) основан на зависимости уровня жидкости над сливной стенкой 5 от ее объемного расхода Q₀. Для прямоугольного слива с тонкой стенкой справедливо соотношение

Q₀=ab ^3/2 (2.13)

где а — коэффициент расхода, учитывающий потерю напора и эффект бокового сжатия струи; b — ширина сливной стенки; g — ускорение силы тяжести; h — уровень жидкости над слив­ной стенкой.

Расходомер состоит из расходомерной емкости 6 и уровне­мера Пр, являющегося измерительным преобразователем расхода. К емкости 6 суспензия подводится по патрубку 4, а отводится в сливную коробку 7 через отверстие 8. Для измерения высоты суспензии в таких расходомерах используются поплавковые, пьезометрические и электроконтактные уровнемеры.

Для измерения количества вещества в коммунальном хозяй­стве применяют тахометрические счетчики количества, состоящие из тахометрического преобразователя расхода и счетного сумми­рующего механизма.

Тахометрическим преобразователем расхода называют первичный преобразователь, в котором скорость движения чувствительного элемента, взаимодействующего с потоком вещества, пропорциональна объемному расходу. По принципу действия тахометрические счетчики разделяют на скоростные и объемные.

В скоростных счетчиках (типа УВК, ВК, МС) в качестве рабо­чего элемента применяют вертушки (крыльчатки, турбинки или другие тела) с вертикальной (рис. 2.7) или горизонтальной осью вращения. Под действием потока вещества вертушка 3 на опор­ном шипе 4 совершает непрерывное вращательное движение с угловой скоростью, пропорциональной скорости потока, а сле­довательно и расходу. Число оборотов вращающегося элемента суммируется счетным механизмом 7, с которым вертушка соединя­ется с помощью передаточного механизма (редуктора) 5. Редук­тор и счетный механизм соединены между собой осью с сальни­ковым уплотнением 6. Счетный механизм отделен от проточной

части прибора герметичной перегородкой, в которой установлен сальник передаточной оси 8. На входном патрубке счетчика уста­навливаются металлическая сетка 1, предохраняющая прибор от попадания в него посторонних тел, и струевыпрямитель 2.

В объемных счетчиках вещество измеряется отдельными рав­ными по объему дозами. В поршневом счетчике (рис. 2.8, а) жидкость из трубы 1 через распределительный четырехходовой клапан 2 поступает под поршень 3 и поднимает его. Поршень, перемещаясь вверх, вытесняет жидкость, находящуюся в верхней полости цилиндра, через распределительный клапан в трубу 4. Когда поршень достигнет верхнего крайнего положения, четырех­ходовой кран, связанный специальным механизмом 5 со штоком поршня, перемещается в положение, показанное на рис. 2.8, б пунктиром. Вследствие этого жидкость из трубы 1 будет посту­пать в верхнюю полость цилиндра, поршень начинает переме­щаться вниз и из нижней полости жидкость вытесняется через четырехходовой кран и трубу 4. С момента достижения поршнем крайнего положения цикл повторяется.

Число доз за определенный промежуток времени суммируется счетным механизмом, связанным со штоком поршня с помощью передаточного механизма, а количество жидкости, равное сумме объ­емов протекших доз, показывается счетным указателем (на рис. 2.8 счетный механизм и указатель не показаны). В коммунальном хозяйстве применяются счетчики типа СМ для измерения объем­ного количества жидкостей. Для измерения объемного расхода и учета объемного количества газа используются счетчики типа «Тургас», состоящие из турбинного преобразователя (датчика) объемного расхода ПРГ и электронного блока измерения.

На рис. 2.8, б приведена схема объемного счетчика жидкости с овальными шестернями типа ШЖУ. В измерительной камере счетчика имеются две овальные шестерни, которые находятся друг с другом в зацеплении и при вращении под действием потока измеряемой жидкости непрерывно обкатывают друг друга. Изме­рение объемного количества жидкости происходит путем перио­дического перемещения определенных ее объемов, заключенных в полостях между цилиндрической поверхностью измерительной камеры и овальными поверхностями шестерен. Вращение шесте­рен через кинематическую цепь передается счетному механизму.

 

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 сопротивление термо­метра R _t. Равновесие мостовой схемы нарушается, и в диагонали моста между точками А и С появляется напряжение небаланса,

 

 

амплитуда и фаза которого зависят от величины и направления отклонения температуры от прежнего значения точек. Это на­пряжение увеличивается усилителем ЭУ до значения, достат