Термометры расширения

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.

Ртутный стеклянный термометр с вложенной внутренней шкалой (рис. 3-1) состоит из наружной оболочки 1, в которой расположены термобаллон с ртутью 4, тонкостенный капилляр 3 и пластинка с нанесенной на ней шкалой 2. Термобаллон припаян к наружной оболочке, закрытой герметически. Ртутный стеклянный палочный термометр состоит из термобаллона, соединенного с толстостенным капилляром. Шкала у этого термометра нанесена на наружной поверхности капилляра в виде насечки по стеклу. Ртутными термометрами измеряют температуру от -30 до + 500.°С. Верхний предел определяется температурой размягчения стеклянной оболочки термометра, нижний- температурой затвердевания ртути (_35 °С). Для повышения температуры кипения ртути пространство над ртутью в капиллярной трубке заполняется инертным газом (азотом) под давлением 1,47-1,96 МПа. Для измерения низких температур (от -190 до +80 °С) предназначены стеклянные термометры с органическими заполнителями. Устройство их аналогично ртутным. Ртутные термометры разделяются по назначению на технические, лабораторные и образцовые. Технические термометры обычно бывают с вложенной шкалой и имеют тонкую прямую или изогнутую под углом 90, 120 или 135° нижнюю часть с баллоном на конце. Разновидностью ртутных технических термометров являются электроконтактные термометры с впаянными в капиллярную трубку контактами для разрывания и замыкания столбиком ртути электрической цепи. Они используются в основном для сигнализации о нарушении заданного температурного режима. Для предохранения технических термометров от повреждения их помещают в специальные металлические защитные оправы или гильзы. Зазор между баллоном и стенкой гильзы заполняется машинным маслом при измерении температуры до 150 °С, а при более высокой температуре - медными опилками. Гильзу делают такой Длины, чтобы чувствительная часть термометра находилась на оси трубопровода. На горизонтальном трубопроводе диаметром менее 200 мм термометр устанавливают наклонно навстречу потоку, а при диаметре более 200 мм - перпендикулярно оси трубы. Жидкостные стеклянные термометры расширения благодаря простоте конструкции, дешевизне, достаточно высокой точности измерения используются лабораторной и производственной практике пищевых производств. К недостаткам приборов относятся плохая наглядность шкалы, хрупкость, невозможность передачи показаний на расстояние, запаздывание показаний вследствие большой тепловой инерции.

Рис. 3-1. Общий вид термометров с вложенной шкалой

Дилатометрические термометры.На рис. 3-2 показан трубчатый дилатометрический термометр, представляющий собой закрытую с одного конца трубку /, внутри которой находится стержень 2, прижимаемый к дну трубки рычагом 3, соединенным с пружиной 4. Трубку изготовляют из материала с большим коэффициентом линейного расширения (меди, алюминия, латуни), а стержень - из материала с малым коэффициентом линейного расширения (кварца, инвара). При погружении термометра в измеряемую среду длина трубки изменяется,

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).

Биметаллические термометры.Чувствительный элемент этих приборов выполнен в виде плоской или спиральной пружины, которая состоит из двух спаянных металлических полосок. Полоска 3 (рис. 3-3) изготовлена из материала с большим коэффициентом линейного расширения, а полоска 4 - с незначительным. Образованная из этих полосок биметаллическая пластина меняет степень своего изгиба в зависимости от температуры. Биметаллическая пластина соединена посредством рычага / и тяги 2 со стрелкой, которая указывает температуру на шкале прибора. Кроме показывающих, промышленность выпускает бесшкальные биметаллические термометры, использующиеся в основном в качестве электрических преобразователей или температурных реле для позиционного регулирования и сигнализации. Диапазон измерения температуры биметаллическими термометрами от -150 до +700 °С, погрешность 1 - 1,5 %.

Физическая сущность и особенность работы термоэлектрических термометров. Схемы соединения термопар с вторичным прибором. Схемы измерения, преимущества и недостатки.

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.

Термоэлектрические термометры

Для измерения температуры в металлургии наиболее широкое распространение получили термоэлектрические термометры, работающие в интервале температур от -200 до +2500 0C и выше. Данный тип устройств характеризует высокая точность и надежность, возможность использования в системах автоматического контроля и регулирования параметра, в значительной мере определяющего ход технологического процесса в металлургических агрегатах.

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

где и - разности потенциалов проводников A и B соответственно при температурах t2 и t1, мВ.

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.

Преимущества термопар

Большой температурный диапазон измерения: от -200 °С до 1800—2200 °С

Простота

Дешевизна

Надежность

Недостатки

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.