Средства измерения температуры

Температура является одним из важнейших параметров контроля и регулирования технологических процессов отрасли (например, термическая обработка колбасных изделий, пастеризация молока, стерилизация консервов и др.). Диапазон измерения температур, при котором осуществляется технологическая обработка продукции, составляет от -60 до 300°С. Технологические процессы в отрасли, обусловленные многообразием тепло- и массообменных процессов, а также микробиологических процессов, требуют применения различных типов технических средств для измерения температуры.

Приборы для измерения температуры в зависимости от принципа действия классифицируют следующим образом: термометры расширения (жидкостные, дилатометрические, биметаллические); манометрические термометры; термоэлектрические преобразователи; термопреобразователи сопротивления, пирометры.

Термометры расширения. Принцип действия стеклянных жидкостных термометров основан на тепловом расширении термометрической жидкости, заключенной в термометре, т.е. на изменении объема этой жидкости. В качестве термометрической жидкости используют ртуть, толуол, этиловый спирт, эфир и др.

Стеклянные жидкостные термометры применяют для измерения температур от -90 до 600°С и изготовляют в виде палочных и со вложенной шкалой (рис. 6.7). По виду хвостовика (погружной части) термометры с вложенной шкалой бывают прямого и углового типов.

Термометры стеклянные жидкостные

Рис. 6.7. Термометры стеклянные жидкостные:

а — палочный: 1 — резервуар; 2 — толстостенный капилляр; 3 — шкала, нанесенная на внешней поверхности капилляра; б — со встроенной шкалой: 1 — резервуар;

  • 2 — капилляр; 3 — шкала, нанесенная на пластине стекла молочного цвета;
  • 4 защитная стеклянная оболочка

Для сигнализации и автоматического позиционного регулирования температуры применяют технические электроконтактные термометры, имеющие впаянные контакты (рис. 6.8). Один из контактов — подвижный и перемещается с помощью магнитной муфты, а другой — неподвижный, впаянный в капилляр. Замыкание (размыкание) электрической цепи между контактами происходит вследствие изменения объема ртути.

Принцип действия дилатометрических термометров (рис. 6.9) основан на использовании разности изменений длины трубки и стержня при нагревании, что объясняется различием их коэффициентов линейного температурного расширения.

Биметаллические термометры изготавливают из двух разнородных металлических пластин, сваренных по всей длине и имеющих различные коэффициенты линейного температурного расширения, например, стали и инвара (рис. 6.10).

Технические электроконтактные термометры

Рис. 6.8. Технические электроконтактные термометры:

а — прямой; б — угловой: 1 и 2— выводы от контактов

При нагревании биметаллическая пластина деформируется и изгибается в сторону металла (инвара), обладающего меньшим коэффициентом линейного температурного расширения. Биметаллические термометры предназначены для измерения температуры от -100 до 600°С с погрешностью ±(1—2,5)%. В отрасли в качестве простейших регуляторов температуры применяют биметаллические температурные реле.

Манометрические термометры. Принцип действия манометрических термометров основан на зависимости между давлением и температурой рабочего термометрического вещества в замкнутой герметичной термосистеме. По виду рабочего термометрического вещества различают следующие манометрические термометры: газовые, жидкостные и конденсационные (парожидкостные). Диапазон измерения температур с помощью этих термометров составляет от -60 до 600°С, класс точности — 1,5—2,5.

Схема дилатометрического термометра

Рис. 6.9. Схема дилатометрического термометра:

1 — стержень; 2 — трубка; 3 — пружина; 4 — стрелка; 5 — шкала

Схема биметаллического термометра

Рис. 6.10. Схема биметаллического термометра:

  • 1 — биметаллическая пружина; 2 — неподвижный конец биметаллической пружины;
  • 3 — подвижный конец биметаллической пружины; 4 — шарнир; 5 — стрелка;
  • 6 — шкала

Манометрический термометр (рис. 6.11) состоит из термобаллона, погружаемого в среду, капилляра с защитной оболочкой и манометрической пружины, расположенной в корпусе. При нагревании термобаллона давление рабочего вещества в термосистеме увеличивается, что приводит к деформации манометрической пружины. Деформация свободного конца пружины через поводок и сектор вызывает перемещение стрелки прибора, соответствующее значению измеряемой температуры.

Манометрические термометры получили широкое распространение в отрасли, так как они характеризуются простотой конструкции, относительно низкой стоимостью и надежностью в работе. Достоинствами их являются взрывобезопасность и возможность дистанционной передачи и записи показаний (длина капилляра от 1 до 60 м). К недостаткам манометрических термометров можно отнести инерционность и невысокую точность измерений. Однако эти недостатки несущественно ограничивают применение этих приборов, так как большинство технологических процессов отрасли имеют большую инерционность, исчисляющуюся минутами и десятками минут.

Схема манометрического термометра

Рис. 6.11. Схема манометрического термометра:

  • 1 — сектор; 2 — манометрическая пружина; 3 — поводок; 4 — корпус; 5 — капилляр;
  • 6 — защитная оболочка; 7 — термобаллон

Термоэлектрические преобразователи температуры. Принцип действия термоэлектрических преобразователей основан на термоэлектрическом эффекте.

Термоэлектрическая цепь из двух разнородных проводников

Рис. 6.12. Термоэлектрическая цепь из двух разнородных проводников

Сущность эффекта заключается в наличии зависимости между термоэлектродвижущей силой (термо-ЭДС), возникающей в замкнутой цепи, которая состоит из разнородных проводников, и температурами мест их соединения. Цепь, образованная из двух разнородных и одинаковых по длине проводников А и В (термоэлектродов), имеет два спая (рис. 6.12).

Спай с температурой 1 называется горячим (рабочим), а спай с постоянной температурой (0 холодным (свободным).

Технический термоэлектрический преобразователь температуры (рис. 6.13) состоит из двух термоэлектродов, образующих рабочий спай, изолированных друг от друга с помощью фарфоровых бус. Защитная арматура включает гильзу, неподвижный штуцер, головку и трубку.

В головке, снабженной крышкой и патрубком с сальниковым уплотнением, помещена розетка из изоляционного материала с клеммами для подключения термоэлектродов и проводов, соединяющих термоэлектрический преобразователь с измерительным прибором. Длину его погружной части выбирают в зависимости от условий эксплуатации и вида технологического оборудования.

Измерительными приборами, работающими в комплекте с термоэлектрическими преобразователями температуры, служат автоматические потенциометры и магнитоэлектрические милливольтметры.

Схема термоэлектрического преобразователя температуры

Рис. 6.13. Схема термоэлектрического преобразователя температуры:

  • 1 — рабочий спай; 2 — гильза; 3 — фарфоровые бусы; 4 — неподвижный штуцер;
  • 5 — розетка; 6 — головка; 7 — крышка; 8 — сальниковое уплотнение; 9 — патрубок;
  • 10 трубка

Передаточная функция термоэлектрических преобразователей температуры (с защитной арматурой) описывается выражением

Значение постоянных времени 7) и Т2 зависит как от типа защитной арматуры, так и от коэффициента теплоотдачи между рабочим спаем и окружающей средой.

Термоэлектрические преобразователи температуры нашли широкое применение в отрасли, что объясняется рядом их достоинств: возможностью дистанционного измерения температуры, высокой точностью измерения. Они осуществляют автоматический контроль температуры при использовании многоточечных приборов и управляющих вычислительных машин.

Термопреобразователи сопротивления. Принцип действия термопреобразователей сопротивления основан на свойстве веществ изменять активное электрическое сопротивление в зависимости от температуры.

Металлы, применяемые для изготовления чувствительных элементов термопреобразователей сопротивления, должны быть стойкими к окислению, обладать достаточно высоким удельным электрическим сопротивлением, а в диапазоне измеряемых температур характеризоваться линейной или близкой к линейной зависимостью сопротивления от температуры. Этим требованиям удовлетворяют платина и медь, из которых и изготавливают чувствительные элементы термопреобразователей сопротивления.

Изменение активного электрического сопротивления платины в диапазоне температур от 0 до 650°С описывается уравнением

где Я,- — сопротивление термопреобразователя при температуре ?, Ом; Д0 — сопротивление термопреобразователя при 0°С, Ом; Лий — постоянные коэффициенты, значения которых определяются в точках кипения воды, серы и кислорода.

В мясной и пищевой промышленности технические платиновые гер- мопреобразователи сопротивления типа ТСП применяют для измерения температур от -200 до 650°С; они имеют градуировку 1П; 5П; 10П; 100П; 500П. При 0°С сопротивление термометра градуировки 10П равно 10 Ом; градуировки 100П — 100 Ом и т.д. Достоинством ТСП является высокая надежность работы в воздушной среде.

Зависимость изменения активного электрического сопротивления меди от температуры описывается выражением

где ИТ и Д0— сопротивление меди соответственно при температуре I и 0°С, Ом; а —температурный коэффициент электрического сопротивлении, 1 /°С.

Медные термопреобразователи сопротивления типа ТСМ применяют для измерения температур от -50 до 180°С; они имеют градуировки: ЮМ (Д0 = 10 Ом); 50М (Я0 = 50 Ом) и 100М (й0 = 100 Ом).

В качестве измерительных приборов, работающих в комплекте с термопреобразователями сопротивления, применяют автоматические уравновешенные мосты и логометры.

Для работы комплекта, состоящего из термопреобразователя сопротивления и измерительного прибора, каждому экземпляру измерительного прибора, имеющему определенную градуировку, должны соответствовать термопреобразователи сопротивления точно такой же градуировки.

Рассмотрим конструкцию чувствительного элемента технического термопреобразователя сопротивления типа ТСП (рис. 6.14). Он состоит из собственно чувствительного элемента и защитной арматуры. Чувствительный элемент платинового термопреобразователя сопротивления изготовляют из платиновой проволоки диаметром 0,04—0,07 мм и длиной около 2 м, бифилярно намотанной на пластинку с зубчатыми краями, которая сверху закрывается слюдяными накладками и скрепляется в пакет лентой. Выводы делают из серебряной проволоки диаметром 1 мм. Длина чувствительного элемента 30—120 мм.

Схема чувствительного элемента платинового термопреобразователя сопротивления

Рис. 6.14. Схема чувствительного элемента платинового термопреобразователя сопротивления:

1 — плоская слюдяная пластина; 2 — платиновая проволока; 3 — спай проволоки с выводами; 4 — серебряные проволочные выводы; 5 — плоские слюдяные накладки;

б — серебряные ленты

Чувствительные элементы медных термопреобразователей сопротивления изготовляют из медной эмалированной проволоки диаметром 0,1 мм, намотанной в несколько слоев на цилиндрический каркас из пластмассы или металла и покрытой слоем лака для герметизации.

Защитная арматура для платиновых и медных термопреобразователей сопротивления аналогична защитной арматуре для термоэлектрических преобразователей (см. рис. 6.13).

Термопреобразователи сопротивления нашли широкое применение в отрасли, так как позволяют осуществлять дистанционное измерение температуры с высокой точностью, дают возможность централизованного контроля и регулирования температуры с использованием многоточечных автоматических мостов и управляющих вычислительных машин.

В последние годы для измерения температуры применяют полупроводниковые термопреобразователи сопротивления (терморезисторы). Материалом для изготовления чувствительных элементов являются смеси окислов меди и марганца, смеси окислов кобальта и марганца, смеси двуокиси титана с окислами магния и др.

Основная зависимость, характеризующая принцип действия полупроводниковых термопреобразователей сопротивления, имеет вид

где /?у — сопротивление полупроводникового термопреобразователя сопротивления (ПТС) при температуре ?, Ом; А и В — постоянные коэффициенты, зависящие от свойств материала чувствительного элемента и его конструкции; 7’— абсолютная температура, К.

Полупроводниковые термопреобразователи сопротивления

Рис. 6.15. Полупроводниковые термопреобразователи сопротивления:

а — тип ММТ-1 и КМТ-1; б — тип ММТ-4 и КМТ-4; в — тип КМТ-11; 1 — выводы;

  • 2 — контактные колпачки; 3 — чувствительный элемент; 4 — слой олова; 5 — чехол;
  • 6 — стекло; 7 — металлическая фольга

Приведенная выше зависимость показывает, что активное электрическое сопротивление терморезисторов уменьшается с увеличением температуры. Устройство полупроводниковых чувствительных элементов ПТС представлено на рис. 6.15. Достоинствами терморезисторов являются высокая чувствительность, малая инерционность и небольшие размеры.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >