V Приборы для измерения расхода, давления, температуры, влажности, скорости ветра, химического состава воды и воздуха

5.1 Измерение температуры.

Температура вещества - величина, характеризующая степень нагретости, которая определяется внутренней кинетической энергией теплового движения молекул. Измерение температуры практически возможно только методом сравнения степени нагретости двух тел.

       Для сравнения нагретости этих тел используют изменения каких-либо физических свойств, зависящих от температуры и легко поддающихся измерению.

       По свойству термодинамического тела, используемого для измерения температуры, можно выделить следующие типы термометров:

· термометры расширения, основанные на свойстве температурного расширения жидких тел;

· термометры расширения, основанные на свойстве температурного расширения твердых тел;

· термометры газовые манометрические;

· термометры жидкостные манометрические;

· конденсационные;

· электрические;

· термометры сопротивления;

· оптические монохроматические пирометры;

· оптические цветовые пирометры;

· радиационные пирометры.

        Термометры расширения. Жидкостные стеклянные.

       Тепловое расширение жидкости характеризуется сравнительным коэффициентом объемного расширения, значение которого определяется как, 1/град,

где V₀, V_t1, V_t2 - объемы жидкости при 0 °С, температурах t₁ и t₂ соответственно.

       Чувствительность термометра зависит от разности коэффициентов объемного расширения термометрической жидкости и стекла, от объема резервуара и диаметра капилляра. Чувствительность термометра обычно лежит в пределах 0,4…5 мм/°С (для некоторых специальных термометров 100…200 мм/°С).

       Для защиты от повреждений технические термометры монтируются в металлической оправе, а нижняя погружная часть закрывается металлической гильзой.

 

        Термометры, основанные на расширении твердых тел.

       К этой группе приборов относятся дилатометрические и биметаллические термометры, основанные на изменении линейных размеров твердых тел с изменением температуры.

1) Конструктивное исполнение дилатометрических термометров основано на преобразовании измеряемой температуры в разность абсолютных значений удлинений двух стержней, изготовленных из материалов с существенно различными термическими коэффициентами линейного расширения:

, 1/град,

где l₀, l_t1, l_t2 - линейные размеры тела при 0 °С, температурах t₁ и t₂ соответственно.

       В силу того, что Db мала, дилатометрические термометры применяются в качестве различного рода тепловых реле в устройствах сигнализации и регулирования температуры.

2) Биметаллические термометры основаны на деформации биметаллической ленты при изменении температуры. Обычно применяются биметаллические ленты, согнутые в виде плоской или винтовой спирали. Один конец спирали укреплен неподвижно, второй - на оси стрелки. Угол поворота стрелки равен углу закручивания спирали, который пропорционален изменению температуры.

Биметаллические термометры обеспечивают изменение температуры с относительными погрешностями 1 - 1,5 %.

 

        Газовые манометрические термометры.

       В основу принципа действия манометрического термометра положена зависимость между температурой и давлением термометрического (рабочего) вещества, лишенного возможности свободно расширяться при нагревании.

       Манометрические термометры обычно включают в себя термобаллон, капиллярную трубку и трубчатую пружину с поводком, зубчатым сектором и стрелкой. Вся стистема заполняется рабочим веществом. При нагревании термобаллона, установленного в зоне измеряемой температуры, давление рабочего вещества внутри замкнутой системы увеличивается. Увеличение давления воспринимается манометрической пружиной, которая воздействует через передаточный механизм на стрелку или перо прибора.

       Газовые манометрические термометры основаны на зависимости температуры и давления газа, заключенного в герметически замкнутой термосистеме.

       Достоинства: шкала прибора практически равномерна.

       Недостатки: сравнительно большая инерционность и большие размеры термобаллона.

 

        Жидкостные манометрические термометры.

В качестве манометрической жидкости в приборах этого типа применяется метиловый спирт, ксилол, толуол, ртуть и т.д.

       Жидкостные манометрические термометры имеют равномерную шкалу.

 

        Конденсационные манометрические термометры.

       Конденсационные манометрические термометры реализуют зависимость упругости насыщенных паров низкокипящей жидкости от температуры. Поскольку эти зависимости для используемых жидкостей (хлористый метил, этиловый эфир, хлористый этил, ацетон и др.) нелинейны, следовательно, и шкалы термометров неравномерны. Однако, эти приборы обладают более высокой чувствительностью, чем газовые жидкостные.

 

        Электрические термометры.

       Принцип действия этого типа термометров основан на зависимости термо-ЭДС (ТЭДС) цепи от изменения температуры.

       В термоэлектрической цепи, состоящей из двух проводников А и В возникают 4 различные ТЭДС: 2 ТЭДС в местах спаев проводников А и В, ТЭДС на конце проводника А и ТЭДС на конце проводника В. Суммарная ТЭДС, возникающая при нагреве спаев проводников до температур t и t₀:

E_AB(t t₀) = e_AB(t) + e_BA(t₀),

где e_BA и e_AB - ТЭДС, обусловленная контактной разностью потенциалов и разностью температур концов А и В.

       ТЭДС E_AB(t t₀) является функцией от температуры горячего спая t при условии постоянства температуры холодного спая t₀.

       Термопары градуируются при определенной постоянной температуры t₀ (обычно t₀ = 0 °C или 20 °C). При измерениях температура t₀ может отличаться от градуировочного значения. В этом случае вводится соответствующая поправка в результат измерения:

E_AB(t t₀) = E_AB(t t₀^’) + E_AB(t₀^’t₀).

       Поправка E_AB(t₀^’t₀) равна ТЭДС, которую развивает данная термопара при температуре горячего спая t₀^’ и градуировочном значении температуры холодных спаев. Поправка берется положительной, если t₀^’ > t₀ и отрицательной, если t₀^’ < t_0.

       Величина поправки может быть взята из градуировочной таблицы.

       Конструктивное исполнение термопар разнообразно и зависит главным образом от условий их применения. При необходимости измерения небольшой разницы температур или получения большой ТЭДС применяются дифференциальные термопары и термобатареи, представляющие собой несколько последовательно соединенных термопар.

       Компенсация изменения температуры холодных спаев термопар. Правильное измерение температуры возможно лишь при постоянстве температур свободных спаев t₀. оно обеспечивается с помощью соединительных проводов и специальных термостатирующих устройств. Соединительные провода в данном случае предназначены для переноса свободных концов термопары в зону с известной постоянной температурой, а также для подсоединения свободного конца термопары к зажимам измерительных приборов. Соединительные провода должны быть термоэлектрически подобны термоэлектродам термопары.

       Как правило, соединительные провода для термопар, изготовленных из неблагородных металлов, выполняются из тех же самых материалов, что и термоэлектроды. Исключение составляет хромель-алюмелевая термопара, для которой с целью уменьшения сопротивления линии в качестве соединительных проводов применяется медь в паре с константаном.

       Градуировки термопар: ХА - хромель-алюмелевые;    ХК - хромель-копелевые;   

ПП - платинородий-платиновые и т.д.

       Требования к термопарам:

1) воспроизводимость,

2) высокая чувствительность,

3) надежность,

4) стабильность,

5) достаточный температурный диапазон.

       Материалы, используемые для изготовления термопар.

Название	Состав	ТЭДС, мВ (при t0 = 0 °C и t1 = 100 °C)	Максимальный темпер. предел, °C
хромель	10% Cr + 90 % Ni	+2,95	1000
платинородий	90 % Pt + 10 % Rh	+0,86	1300
медь	Cu	+0,76	350
платина	Pt	0	1300
алюмель	95 % Ni + 5 % Al	-1,2	1000
копель	56 % Cu + 44 % Ni	-4	600
константан	60 % Cu + 40 % Ni	-3,4	600

 

Градуировочные зависимости термопар

Методы и средства для измерения ТЭДС:

1) Метод непосредственной оценки (с помощью милливольтметра);

2) Компенсационный метод (с помощью потенциометров).

        Термометры сопротивления.

       Измерение температуры термосопротивлениями основано на свойстве проводников и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление при изменении температуры.

       Вид функции R = f(t) зависит от природы материала. Для изготовления чувствительных элементов серийных термосопротивлений применяются чистые металлы, к которым предъявляются следующие требования:

а) металл не должен окисляться или вступать в химические реакции с измеряемой средой;

б) температурный коэффициент электрического сопротивления металла a должен быть достаточно большим и неизменным;

в) функция R = f(t) должна быть однозначна;

г) удельное электрическое сопротивление металла должно быть достаточно большим.

Наиболее полно указанным требованиям отвечают: платина, медь, никель, железо и др.

       Основной недостаток термосопротивлений: большая инерционность (до 10 мин.).

Для измерения температуры наиболее часто применяются термосопротивления типов:

ММТ-1, ММТ-4, ММТ-6 (медно-марганцевые); КМТ-1, КМТ-4 (кобальто-марганцевые).

        Пирометры излучения.

       Пирометры излучения основаны на использовании теплового излучения нагретых тел. Верхний предел измерения температуры пирометра излучения практически не ограничен. Измерение основано на бесконтактном способе, поэтому отсутствует искажение температурного поля, вызываемое введением преобразовательного элемента прибора в измеряемую среду. Возможно измерение температуры пламени и высоких температур газовых потоков при больших скоростях.

       Лучистая энергия выделяется нагретым телом в виде волн различной длины. При сравнительно низких температурах (до 500 °С) нагретое тело испускает инфракрасные лучи. По мере повышения температуры цвет тела от темно-красного доходит до белого. Возрастание интенсивности монохроматического излучения с повышением температуры описывается соответствующими уравнениями.

        Цветовые пирометры.

       В цветовых пирометрах определяется отношение интенсивности излучения реального тела Е_l в лучах с двумя заранее выбранными значениями длины волны l₁ и l₂, то есть показания цветовых пирометров определяется функцией f(Е_l1 / Е_l2). Это отношение для каждой температуры различно, но однозначно.

        Вторичные приборы для измерения разности потенциалов.

       Для измерения ТЭДС в комплектах термоэлектрических термометров применяются термометрические милливольтметры и потенциометры.

        Пирометрические милливольтметры.

       Пирометрические милливольтметры являются электро-измерительными приборами магнито-электрической системы.

       В конструкции пирометрических милливольтметров можно выделить магнитную и подвижную системы. Первая состоит из подковообразного магнита 1, полюсных наконечников 2 и цилиндрического сердечника 3. Кольцевой зазор между сердечником и полюсными наконечниками характеризуется наличием практически равномерного электромагнитного поля.

 

 

В этом зазоре соосно с сердечником размещается рамка 4, которая монтируется на кернах, опирающихся на подпятники, либо на натянутых нитях. Момент сил, противодействующий вращению рамки создается специальными пружинами.

       Взаимодействие тока, протекающего по рамке с полем постоянного магнита 2 вызывает появление вращающего момента, который, будучи уравновешен противодействующим моментом пружин, поворачивает рамку на определенный угол. Этот угол пропорционален величине протекающего по рамке тока.

        Потенциометры.

       Потенциометры в отличие от милливольтметров работают по компенсационному (нулевому) методу измерения.

       Принцип компенсации при измерении ТЭДС зиключается в уравновешивании ее известным напряжением DU на калибровочном резисторе R, созданным вспомогательным источником тока. Ток от вспомогательного источника проходит через реохорд R_AB.

U_AB пропорционально R_АВ (в точке D находится движок реохорда).

Последовательно с термопарой, генерирующей ТЭДС, включен милливольтметр НП (нуль-прибор) с нулем в середине шкалы. Передвигая движок D, добиваются уравновешивания U_AB и E(t t₀).

 

 Автоматические электрические потенциометры.

R_p - сопротивление реохорда,

R_ш - шунта,

R_п - для задания пределов измерения,

R_н и R_к - для задания начала и конца шкалы,

R_б - балластное,

R_с - для поверки рабочего тока,

R_м - медное сопротивление для компенсации влияния температуры холодных спаев.

ИПС - источник питания стабилизированный.

       Потенциометр состоит из моста сопротивлений АВСD, в одну из диагоналей которого включен источник питания ИПС, а в другую (измерительную диагональ) термопара с ТЭДС Е и электродвигатель ЭД. В вершине А моста находится реохорд R_р, к движку которого прикреплена стрелка, движущаяся вдоль шкалы. Перемещением движка в свою очередь управляет электродвигатель.

       Когда мост находится в равновесии, то напряжение между его вершинами А и D равно напряжению между вершинами В и С, электродвигатель ЭД не работает и движок реохорда А не движется. Если по каким-либо причинам термо-ЭДС Е изменится, то напряжение U_AD перестанет быть равно U_ВС и на входе усилителя УЭД появится напряжение. Усилитель, усилив напряжение, подает его на ЭД, который, вращаясь, перемещает движок реохорда. перемещение движка продолжается до тех пор, пока мост снова не придет в равновесие и напряжение на ЭД снова не станет равно нулю.

       В этих потенциометрах процесс компенсации осуществляется автоматически, непрерывно и с большой скоростью. Эти приборы имеют устройства для автоматического внесения поправки на температуру холодных спаев термопары.

        Методы измерения сопротивления.

       Для измерения сопротивлений термоэлектрических сопротивлений (ТС) часто используют автоматические электронные мосты, включенные по двухпроводной, трехпроводной или четырехпроводной схемам.

       Двухпроводная схема подключения моста к ТС.

На схеме обозначены:

R₁, R₂, R₃, R₄ - сопротивления моста;

R_б - балластное сопротивление для ограничения рабочего тока;

R_т - сопротивление ТС;

R_л - сопротивление линии (соединительных проводов).

       Мост может находится в двух состояниях: уравновешенном и неуравновешенном. Условием равновесия является равенство произведений противолежащих плечей, т.е. в данном случае:

R₁^.R₃» R₂^.(R₄ + R_т + 2^.R_л).

       Когда мост уравновешен, напряжение на диагонали U_AD = 0 и, следовательно, ЭД не работает. При изменении температуры объекта изменяется R_т и U_AD перестает быть нулевым. Это напряжение усиливается УЭД и подается на ЭД, который, вращаясь, перемещает движок реохорда.

       Недостатком такой схемы является то, что сопротивления линии входят в одно плечо с R_т, следовательно, изменение R_л может вызывать изменение показаний моста. Для компенсации R_л применяются трехпроводная или четырехпроводная схемы.

       Трехпроводная схема подключения моста.

В этом случае уравнение равновесия имеет вид:

(R₁ + R_л)^.R₃» R₂^.(R₄ + R_т + R_л).

То есть сопротивление линии R_л входит в обе части уравнения и частично компенсируется.