На чем основан принцип действия термометров расширения
Термометры расширения
Термометры расширения – это приборы основаны на свойстве тел увеличивать свой объем при нагревании. Среди них различают: биметаллические, стержневые (дилатометрические), жидкостные (стеклянные).
9.4.1.1 Принцип действия биметаллического термометра показан на рис. 1.20. Биметаллическая пластина под действием температуры изгибается, что определяется различными коэффициентами теплового расширения двух металлов, из которых изготовлена пластина. Один конец пластины закреплен жестко, а второй соединен со стрелкой показывающего устройства.
9.4.1.2 Стержневые термометры используют линейное расширение стержня под действием температуры. Устройство такого термометра поясняет рис. 9.21.
Стержень погружен в тело контролируемого объекта и одним концом жестко закреплен в нем. При изменении температуры свободный конец стержня перемещается и через систему рычагов воздействует на стрелку показывающего устройства.
Дилатометрические термометры чаще применяют в качестве сигнализаторов или регуляторов. Для этого вместо стрелки в них встраивают реостатные датчики или контакты.
Дилатометрические термометры удобно применять для измерения температуры в шкафах и прилавках, где не требуется высокая точность измерения и применение жидкостных термометров нежелательно.
Дилатометрические термометры для измерений используются сравнительно редко. Обычно они изготовляются в виде температурных реле и применяются для электрической сигнализации предельных значений температуры, а также в схемах автоматического регулирования температуры. Дилатометрические термометры выпускают на пределы измерения до 500 0 С.
К преимуществам дилатометрических термометров относятся высокая надежность и большие усилия, развиваемые чувствительным элементом. Последнее позволяет встраивать в дилатометры контактные устройства и использовать их в качестве термосигнализаторов и термодатчиков в системах автоматического регулирования и контроля температуры.
Дилатометрический термометр, например типа ТУДЭ, состоит из инварного стержня, латунной трубки и показывающей стрелки. Один конец инварного стержня жестко соединен с дном латунной трубки, а другой свободно перемещается. В зависимости от изменения температуры окружающей среды латунная трубка удлиняется или укорачивается. При этом свободный конец инварного стержня отклоняет стрелку прибора. Шкала прибора градуируется в 0 С.
9.4.1.3 Жидкостные термометры – приборы для измерения температуры, основанные на тепловом расширении жидкости. Применяется в диапазоне температур от –200 до 750 0 С. Жидкостные термометры представляет собой прозрачный стеклянный (редко кварцевый) резервуар с припаянным к нему капилляром (из того же материала). Шкала в 0 С наносится либо на толстостенный капилляр (т.н. палочный жидкостный термометр), либо на пластинку, жёстко соединённую с ним (жидкостный термометр с наружной шкалой). Жидкостный термометр с вложенной шкалой (например, медицинский) имеет внешний стеклянный (кварцевый) чехол. Шкалы имеют цену деления от 10 до 0,01 0 С. Термометрическая жидкость заполняет весь резервуар и часть капилляра. В зависимости от диапазона измерений жидкостный термометр заполняют пентаном (для измерения температуры от –200 до 35 0 С), этиловым спиртом (от –80 до 70 0 С), керосином (от –20 до 300 0 С), ртутью (от –35 до 750 0 С) и др. Наиболее распространены ртутные жидкостные термометры, т.к. ртуть остаётся жидкой в диапазоне температур от –38 до 356 0 С при нормальном давлении и до 750 0 С при небольшом повышении давления (для чего капилляр заполняют азотом). Галлиевый жидкостный термометр позволяет измерять температуру в диапазоне от 30 до 1200 0 С. Жидкостные термометры изготавливают из определенных сортов стекла и подвергают специальной термической обработке (старению), устраняющей смещение нулевой точки шкалы, связанное с многократным повторением нагрева и охлаждения термометра (поправку на смещение нуля шкалы необходимо вводить при точных измерениях). Точность жидкостного термометра определяется ценой делений его шкалы. Для обеспечения требуемой точности и удобства применения пользуются жидкостные термометры с укороченной шкалой; наиболее точные из них имеют на шкале точку 0 0 С независимо от нанесённого на ней температурного интервала. Точность измерений зависит от глубины погружения жидкостного термометра в измеряемую среду. Погружать жидкостный термометр следует до отсчитываемого деления шкалы или до специально нанесённой на шкале черты (хвостовые жидкостные термометры). Если это невозможно, следует вводить температурную поправку на выступающий столбик.
Ртутные контактные термометры имеют дополнительные функциональные возможности и служат для измерения температуры и одновременно для преобразования отклонения температуры от заданного значения в электрическую величину.
Ртутные контактные термометры могут иметь постоянно впаянные или передвижные контакты. Термометр с магнитной перестановкой контактов ТКМП имеет две шкалы: верхняя – для настройки прибора на заданную температуру, нижняя – для измерения температуры.
Применяемые ртутные контактные термометры имеют ряд недостатков, главными из которых являются невысокая точность измерений при нестабильности показаний и термическая инерционность.
Ртутный контактный термометр ТПК является двухпозиционным датчиком температуры. Его применяют как регулятор температуры и как сигнализатор в схемах защиты отдельных узлов холодильных установок.
Ртутные контактные термометры ГЯ-104 с постоянными впаянными контактами имеют от одного до трех рабочих контактов и один нулевой. Рабочие контакты впаяны на высоте, при которой обеспечиваются заданные температуры размыкания и замыкания. Провода от контактов выведены к головке контактного термометра.
В стеклянных ртутных контактных термометрах, которые часто применяются в автоматизированных схемах, в капиллярную трубку впаяны два вольфрамовых проводника, а ртуть, перемещаясь в трубке, соединяет их, замыкает электрическую цепь и дает импульс.
При эксплуатации ртутных контактных термометров особое внимание обращают на состояние ртутного столбика. Так как замыкание электрической цепи в термометре происходит через ртуть, то для сохранения длительной работоспособности контактные термометры включают в схему исполнительных механизмов обязательно через промежуточное реле.
Дата добавления: 2016-12-16 ; просмотров: 17195 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Термометры расширения
Классификация механических термометров расширения, их устройство и область применения.
В эту группу входят жидкостные стеклянные термометры, принцип действия которых основан на тепловом расширении рабочего вещества (жидкости, удельный объем которой зависит от температуры), дилатометрические и биметаллические термометры, принцип действия которых основан на различном удлинении двух твердых тел, имеющих разные температурные коэффициенты линейного расширения.
Жидкостные стеклянные термометры.В них в качестве термометрических (рабочих) веществ применяются ртуть Hg, этиловый спирт С2Н5ОН, толуол С6Н5СН3, пентан С5Н2 и др. Наиболее широкое распространение получили ртутные стеклянные термометры, которые изготовляются двух типов: с вложенной внутренней шкалой и палочные.
Рис. 3-1. Общий вид термометров с вложенной шкалой
а стержня остается практически прежней. Это приводит к перемещению конца стержня относительно трубки; стержень же связан посредством рычага 3 с указательной стрелкой прибора (либо с контактным устройством в системах автоматического регулирования температуры).
Термоэлектрический термометр (ТТ) – это измерительный преобразователь, чувствительный элемент которого (термопара) расположен в специальной защитной арматуре, обеспечивающий защиту термоэлектродов от механических повреждений и воздействия измеряемой среды.
Сущность термоэлектрического метода заключается в возникновении ЭДС в проводнике, концы которого имеют различную температуру. Для того, чтобы измерить возникшую ЭДС, ее сравнивают с ЭДС другого проводника, образующего с первым термоэлектрическую пару AB (рис. 3), в цепи которой потечет ток.
Результирующая термо-ЭДС цепи, состоящей из двух разных проводников A и B (однородных по длине), равна
Термо-ЭДС данной пары зависит только от температуры t1 и t2 и не зависит от размеров термоэлектродов (длины, диаметра), величин теплопроводности и удельного электросопротивления.
Для увеличения чувствительности термоэлектрического метода измерения температуры в ряде случаев применяют термобатарею: несколько последовательно включенных термопар, рабочие концы которых находятся при температуре t2, свободные при известной и постоянной температуре t1.
Точность более 1 °С трудно достижима, необходимо использовать термометры сопротивления или термисторы.
На показания влияет температура свободных концов, на которую необходимо вносить поправку. В современных конструкциях измерителей на основе термопар используется измерение температуры блока холодных спаев с помощью встроенного термистора или полупроводникового сенсора и автоматическое введение поправки к измеренной ТЭДС.
Эффект Пельтье (в момент снятия показаний, необходимо исключить протекание тока через термопару, т.к. ток, протекающий через неё, охлаждает горячий спай и разогревает холодный. Зависимость ТЭДС от температуры существенно не линейна. Это создает трудности при разработке вторичных преобразователей сигнала.
возникновение термоэлектрической неоднородности в результате резких перепадов температур, механических напряжений, коррозии и химических процессов в проводниках приводит к изменению градуировочной характеристики и погрешностям до 5 К.
на большой длине термопарных и удлинительных проводов может возникать эффект «антенны» для существующих электромагнитных полей.
БЛОГ ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА
Блог судового электромеханика. Электроника, электромеханика и автоматика на судне. Обучение и практика. В помощь студентам и специалистам
12.05.2018
Принцип действия жидкостных термометров
Основными элементами термометра (рис. 1) являются: стеклянный резервуар 4 цилиндрической, шаровой или иной формы с припаянным к нему стеклянным капилляром 1 и расположенная вдоль капилляра шкала 2, градуированная в °С. Весь резервуар и часть капилляра заполняет жидкость 3.
С возрастанием температуры объем жидкости увеличивается и ее столбик в
капилляре поднимается. Верхний конец 4 столбика служит указателем температуры.
Градусная шкала наносится либо непосредственно на внешнюю поверхность толстостенного капилляра (палочные термометры), либо на специальную пластинку, расположенную внутри внешней стеклянной оболочки (термометр с вложенной шкалой), либо на прикладную пластинку, к которой прикрепляется капилляр (термометр с наружной шкалой).
Основные метрологические характеристики жидкостных промышленных термометров приведены в табл. 1.
Жидкостные термометры просты в эксплуатации, достаточно точны, взрывобезопасны и имеют равномерную шкалу. К недостаткам следует отнести большую тепловую инерционность, невозможность автоматической записи показаний и передачи их на расстояние. Кроме того, для жидкостных термометров характерно термическое последействие стекла (депрессия), в результате чего временно искажаются показания и нарушается зависимость объема жидкости резервуара от температуры.
Поэтому необходимо периодически определять положение точки 0°С; значение ее смещения алгебраически вычитается из величины поправок, приведенных в паспорте термометра.
Приборы для измерения температуры в котельной
Температура — это мера теплового состояния вещества (степенью его нагрева). Существуют различные приборы для измерения температуры, но данный обзор раскроет лишь те, которые используются в промышленности (котельной). Также будет рассмотрена базовая информация по особенности и алгоритму измерения температуры любого тела.
Алгоритм измерения температуры тела
Измерить температуру любого тела (не путать с телом человека) так, как измеряют многие физические величины (длина, масса, объем) невозможно, так как в природе не существует эталона или образца единицы этой величины. Поэтому определение температуры вещества сводится к сравнению путем наблюдения за изменением физических свойств другого, так называемого термометрического вещества, которое при соприкосновении с нагретым телом вступает с ним через некоторое время в тепловое равновесие.
Метод измерения температуры тела не дает абсолютного значения температуры нагретой среды, а указывает лишь разность температур относительно исходной температуры термометрического вещества, условно принятой за нуль.
В процессе нагревания изменяется как внутренняя энергия вещества, так и практически все его физические свойства. Для измерения температуры выбираются только те свойства, которые однозначно меняются с изменением температуры, не подвержены влиянию других факторов и сравнительно легко поддаются точному измерению. Под эти требования наиболее точно подпадают следующие свойства рабочих веществ:
Все эти свойства положены в основу устройства приборов для измерения температуры.
Термометр расширения для измерения температуры
Принцип работы термометра расширения основана на свойстве тел изменять объем и линейные размеры в результате изменения температуры. В жидкостных стеклянных термометрах в качестве рабочего вещества используется ртуть и органические жидкости (этиловый спирт, толуол, пентан).
Типы ртутных термометров и варианты установки в защитной гильзе:
| Типы: |  |
| а — технический с вложенной шкалой. | |
| б — лабораторный палочный с безнулевой шкалой. | |
| 1 — пробка, залитая гипсом. | |
| 2 — наружная цилиндрическая оболочка. | |
| 3 — шкала, выполненная из стеклянной пластинки молочного цвета. Шкала лабораторного палочного термометра нанесена непосредственно на наружной поверхности капилляра в виде насечки по стеклу. | |
| 4 — капилляр. | |
| 5 — нижняя часть термометра. | |
| 6 — резервуар, заполненный ртутью. Резервуар лабораторного палочного термометра соединен с толстостенным капилляром, имеющим наружный диаметр 6 — 8 мм. | |
| 7, 8 — расширения капилляра. | |
| 9 — дополнительная шкала. | |
| Варианты установки в защитной гильзе: | |
| а — вдоль оси трубопровода. | |
| б — наклонно к оси горизонтального трубопровода. | |
| в — нормально к оси горизонтального трубопровода. | |
| г — на вертикальном трубопроводе. | |
| D — диаметр трубопровода. |
Неправильная установка термометра может привести к изменению точности показаний на 10 — 15 %. Наиболее распространенным способом установки ртутных термометров является их вложение в предохраняющую от поломки защитную гильзу.
Манометрический термометр, устройство и принцип работы
Принцип работы манометрического термометра основан на изменении в зависимости от температуры давления жидкости (газа или пара) в замкнутом объеме. Газовые приборы заполняются азотом, жидкостные — ртутью, ксилолом, толуолом при начальном давлении 1,5 — 2 МПа. В парожидкостных манометрических термометрах рабочим веществом служат низкокипящие органические жидкости (хлористый метил, ацетон, бензол).
Схема манометрического термометра:
 | 1 — тяга. |
| 2 — трубчатая пружина. | |
| 3 — капиллярная трубка. | |
| 4 — штуцер с сальниковым уплотнением. | |
| 5 — термобаллон. |
Рассмотрим подробнее представленную схему. Замкнутая система манометрического термометра, заполненная рабочим веществом, состоит:
Зная конструкцию манометрического термометра, можно более развернуто сформировать его принцип работы. При нагреве термобаллона увеличение в нем давления рабочего вещества передается через капилляр трубчатой пружине и вызывает ее перемещение.
Биметаллический термометр для измерения температуры
В биметаллическом термометре для измерения температуры используется принцип расширении и сжатии твердых тел. При нагреве латунь, находящаяся внутри спирали, расширяется сильнее меди снаружи. Это приводит к разворачиванию спирали и перемещению стрелки по шкале.
Данный тип термометров имеет также и ряд недостатков. Металлы, из которых изготавливаются биметаллические элементы, закаливаются при температурах свыше 1000°C в течение длительного времени. Такое закаливание понижает их чувствительность к изменениям температуры, и при повышении (понижении) температуры стрелка не будет двигаться пропорционально изменению температуры. Также биметаллический элемент с закаленным элементом может слабо реагировать на повышение температуры и сильно реагировать на понижение температуры.
Типы и принцип работы термометров биметаллических:
| Спиральный биметаллический термометр |  |
| Биметаллические элементы термометров могут иметь форму спирали. Элемент, схематически показанный на рисунке должен раскручиваться при нагревании. Такое движение спирального элемента двигает стрелку в сторону более высоких показаний по шкале. При понижении температуры спираль стремится принять исходное положение и стрелка двигается в сторону более низких показаний. Спиральные элементы в отличие от стержневых занимают меньше места и обеспечивают больший ход стрелки. | |
| Геликоид |  |
| В некоторых случаях измерение температуры технологической жидкости спиральными биметаллическими термометрами бывает затруднительным, так как требуется датчик достаточно большой длины, чтобы он соприкасался с жидкостью. Для таких измерений используются биметаллические термометры с удлиненным спиральным элементом (геликоидом). При нагревании такая спираль раскручивается и передвигает стрелку по шкале в сторону более высоких показаний. | |
| Термометр с многоступенчатой спиралью |  |
| В конструкции некоторых биметаллических термометров использованы многоступенчатые пространственные спирали (состоят из двух или более концентрических витков). Многоступенчатая пространственная спираль раскручивается при увеличении температуры и скручивается при понижении температуры. Она занимает меньше места чем обычная спираль, и при этом способна обеспечить больший ход стрелки. |
Благодаря своей прочности и способности противостоять температурам за пределами диапазона измерений такие приборы становятся наиболее приемлемыми для промышленного применения (системы кондиционирования, теплоснабжения, водоснабжения).
При измерении температуры агрессивных сред рекомендуется комплектовать термометр гильзой из нержавеющей стали.
Термометр сопротивления платиновый
Работа термометров сопротивления основана на изменении электрического сопротивления металлических проводников в зависимости от температуры. Зная зависимость сопротивления проводника от температуры и определяя это сопротивление при помощи электроизмерительного прибора, можно судить о величине температуры проводника. В качестве вторичных приборов, работающих с данным термометром, применяются уравновешенные и неуравновешенные измерительные мосты и логометры.
К достоинствам термометров сопротивления можно отнести:
Технические термометры сопротивления бывают платиновые — ТСП и медные — ТСМ. Платиновые термометры наиболее распространены, и их часто устанавливают для контроля важных параметров.
Конструкция платинового термометра сопротивления (ТСП):
| а — чувствительный элемент. |  |
| б — внутренняя арматура. | |
| в — защитная арматура. | |
| 1 — выводы. | |
| 2 — накладки. | |
| 3 — серебряная лента. | |
| 4 — платиновая проволока. | |
| 5 — каркас из слюдяной пластинки. | |
| 6 — фарфоровые бусы. | |
| 7 — оболочка. | |
| 8 — вкладыш. | |
| 9 — головка. | |
| 10 — штуцер. | |
| 11 — защитный чехол. |
Рассмотрев схематически устройство платинового термометра сопротивления, более детально опишем взаимодействие всех его составных частей:
Термоэлектрический пирометр
Термоэлектрические пирометры работают за счет возникновения термоэлектродвижущей силы (ТЭДС) при изменении температуры точки спая двух проводников из разнородных металлов.
Схема термоэлектрического пирометра:
 | 1, 2 — свободные (холодные) концы термопары. |
| 3 — рабочий конец термопары (горячий спай). | |
| А, В — термоэлектроды (термопара). | |
| С — соединительные провода. | |
| ЭП — вторичный электроизмерительный прибор, подключенный к термопаре. | |
| t0 — температура холодных концов термопары. | |
| t — температура горячего спая. |
Величина термоэлектродвижущей силы (ТЭДС), развиваемой термоэлектродами, зависит от их материала, а также от температуры рабочего и свободных концов термопары.
Материалами для термопары служат чистые металлы и их сплавы, обладающие следующими свойствами:
Пределы измерения температур термопарами:
| Наименование термопары | Тип | Градуировка | Пределы измерения температуры при длительном измерении, °C |
| Платинородий-платиновая (10% родия) | ТПП | ПП-1 | -20 — +1300 |
| Платинородиевая (30% и 6% родия) | ТПР | ПР-30 ⁄ 6 | +300 — +1600 |
| Хромель-алюмелевая | ТХА | ХА | -50 — +1000 |
| Хромель-копелевая | ТХК | ХК | -50 — +600 |
Наибольшее распространение для промышленных термопар получили такие материалы, как платина, платинородий, хромель, алюмель, копель.
Общий вид и конструкция термопары:
| а, б — термоэлектроды, соединенные сваркой. |  |
| в — термоэлектроды, приваренные к дну защитного чехла. | |
| 1 — крышка. | |
| 2 — сальник с уплотнением для вывода проводов. | |
| 3 — зажимы. | |
| 4 — колодка. | |
| 5 — защитный чехол. | |
| 6 — подвижной фланец. | |
| 7 — рабочий конец термопары. | |
| 8 — фарфоровый стаканчик. | |
| 9 — фарфоровые бусы. | |
| 10 — корпус головки. | |
| 11, 12 — винты. |
Выделив схематически устройство термопары, более детально опишем взаимодействие всех ее составных частей:
В качестве электроизмерительных приборов в термоэлектрических пирометрах применяются пирометрические милливольтметры и потенциометры.
Все рассмотренные приборы и термометры применяются в промышленности для измерения температуры тел и относятся к контрольно-измерительным приборам и приборам безопасности (КИП и А).