Опорний конспект лекцій з предмета «Спеціальна технологія» для професії «Слюсар з контрольно-вимірювальних приладів та автоматики (електромеханіка)»

Опорний конспект лекцій

з предмета

«Спеціальна технологія»

для професії «Слюсар з контрольно-вимірювальних приладів

та автоматики (електромеханіка)»


на тему:

«Вимірювання температури»


Розробила:

викладач ВПУ СОТ

Білінкевич О.В.


м. Івано-Франківськ

2010


Зміст


ст.

Поняття про температуру і температурні шкали 3

Прилади для вимірювання температури 4

Рідинні скляні термометри 5

Манометричні термометри 6

Електричні термометри опору 8

Термоелектричні термометри 12

Безконтактне вимірювання температури 15


Література 18


Поняття про температуру і температурні шкали


Температурою називають величину, що характеризує тепловий стан тіла. Згідно кінетичної теорії температуру визначають як міру кінетичної енергії поступального руху молекул. Звідси температурою називають умовну статис-тичну величину, прямо пропорційну середній кінетичній енергії молекул тіла.

Всі температурні шкали будувалися (за рідкісним виключенням) однаковим шляхом: двом (щонайменше) постійним точкам присвоювалися певні числові значення і передбачалося, що видима термометрична властивість речовини, що використовується в термометрі, лінійно пов'язана з температурою t:

,

де k – коефіцієнт пропорційності;

E – термометрична властивість;

D – постійна.

Приймаючи для двох постійних точок певні значення температур, можна обчислити постійні k, D і на цій основі побудувати температурну шкалу. При зміні температури коефіцієнт k змінюється, при чому по різному для різних термометричних речовин. Тому термометри, побудовані на базі різних термометричних речовин з рівномірною градусною шкалою, давали при температурах, відмінних від температур постійних точок, різні покази. Останні ставали особливо помітними при високих і дуже низьких температурах.

Термодинамічна шкала тотожна шкалі ідеального газу, побудованій на залежності тиску ідеального газу від температури.

Закони зміни тиску від температури для реальних газів відхиляються від ідеальних, але поправки на відхилення реальних газів невеликі і можуть бути встановлені з високим ступенем точності. Тому, спостерігаючи за розширенням реальних газів і вводячи поправки, можна оцінити температуру за термодинамічною шкалою.

На початку XX століття широко застосовувалися шкали Цельсія і Реомюра, а в наукових роботах – також шкали Кельвіна і воднева. Перерахунки з однієї шкали на іншу створювали великі труднощі і приводили до ряду непорозумінь. Тому в 1933 році було ухвалено рішення про введення Міжнародної температурної шкали (МТШ).


Прилади для вимірювання температури


Температуру вимірюють за допомогою пристроїв, що використовують різні термометричні властивості рідин, газів і твердих тіл. Існують десятки різних пристроїв, які використовують в промисловості, при наукових дослідженнях, для спеціальних цілей.

В таблиці 1 наведено найпоширеніші види приладів для вимірювання температури і практичні межі їх використання.


Таблиця 1 – Прилади для вимірювання температури

Термометрична властивість	Найменування пристрою	Межі тривалого використання, ˚С
		Нижня	Верхня
Теплове розширення	Рідинні скляні термометри	-190	600
Зміна тиску	Манометричні термометри	-160	60
Зміна електричного опору	Електричні термометри опору	-200	500
	Напівпровідникові термометри опору	-90	180
Термоелектричні ефекти	Термоелектричні термометри (термопари)	-50	2500
Теплове випромінювання	Оптичні пірометри	700	6000
	Радіаційні пірометри	20	3000
	Фотоелектричні пірометри	600	4000

Рідинні скляні термометри


Найстаріші пристрої для вимірювання температури – рідинні скляні термометри – використовують термометричну властивість теплового розширення тіл.

Дія термометрів заснована на відмінності коефіцієнтів теплового розширення термометричної речовини і оболонки, в якій вона знаходиться (термометричного скла).

Рідинний термометр складається зі скляних балона 1, капілярної трубки 3 і запасного резервуару 4 (рис.1). Термометрична речовина 2 заповнює балон і частково капілярну трубку. Вільний простір в капілярній трубці і в запасному резервуарі заповнюється інертним газом або може знаходитися під вакуумом. Запасний резервуар або виступаюча за верхнім розподілом шкали частина капілярної трубки служить для запобігання псування термометра при надмірному перегріві.

Як термометричну речовину найчастіше застосовують хімічно чисту ртуть. Вона не змочує скла і залишається рідкою в широкому діапазоні температур. Окрім ртуті як термометрична речовина в скляних термометрах застосовуються і інші рідини, переважно органічного походження. Наприклад: метиловий і етиловий спирт, гас, пентан, толуол, галій, амальгама талія.

Основні переваги скляних рідинних термометрів – простота використання і достатньо висока точність вимірювання навіть для термометрів серійного виготовлення.

До недоліків скляних термометрів можна віднести: погану видимість шкали (якщо не застосовувати спеціальної збільшувальної оптики) і неможливість автоматичного запису показів, їх передачі на відстань і ремонту.

Скляні рідинні термометри випускаються наступних основних різновидів:

- технічні ртутні, з вкладеною шкалою, із занурюваною у вимірюване середовище нижньою частиною, прямі і кутові;

- лабораторні ртутні, паличні або з вкладеною шкалою, занурювані у вимірюване середовище до відлічуваної температурної відмітки, прямі, невеликого зовнішнього діаметра;

- рідинні термометри (не ртутні);

- підвищеної точності і зразкові ртутні термометри;

- ртутні термометри електроконтактів з вкладеною шкалою, з упаяними в капілярну трубку контактами для розривання (або замикання) стовпчиком ртуті електричного ланцюга;

- спеціальні термометри, у тому числі максимальні (медичні та інші), мінімальні, метеорологічні та іншого призначення.

У лабораторних та інших термометрах, градуйованих і призначених для вимірювання при зануренні у вимірюване середовище, можуть виникати систематичні похибки за рахунок виступаючого стовпчика термометра. Якщо капілярна трубка буде занурена у вимірюване середовище не повністю, то температура виступаючої частини капілярної трубки відрізнятиметься від температури вимірюваного середовища, в результаті виникне похибка вимірювання.

Поправка в градусах на виступаючий стовпчик:

(1)

де - коефіцієнт видимого об'ємного теплового розширення термометричної рідини в склі ,

t – дійсна температура вимірюваного середовища, ⁰C,

t_в.с. – температура виступаючого стовпчика, виміряна за допомогою допоміжного термометра ⁰С,

n – число градусів у виступаючому стовпчику.


Манометричні термометри


Дія манометричних термометрів заснована на використовуванні залежності тиску речовини при постійному об'ємі від температури. Замкнута вимірювальна система манометричного термометра складається з (рис.2) з чутливого елемента, що сприймає температуру вимірюваного середовища, - металевого термобалона 1, робочого елемента манометра 2, що вимірює тиск в системі, довгого сполучного металевого капіляра 3.

При зміні температури вимірюваного середовища тиск в системі змінюється, внаслідок чого чутливий елемент переміщує стрілку або перо за шкалою манометра, відградуйованого в градусах температури. Манометричні термометри часто використовують в системах автоматичного регулювання температури, як безшкальні пристрої інформації (давачі).




Манометричні термометри підрозділяють на три основні різновиди:

- рідинні, в яких вся вимірювальна система (термобалон, манометр і сполучний капіляр) заповнені рідиною;

- конденсаційні, в яких термобалон заповнений частково рідиною з низькою температурою кипіння і частково – її насиченими парами, а сполучний капіляр і манометр – насиченими парами рідини або спеціальною передавальною рідиною;

- газові, в яких вся вимірювальна система заповнена інертним газом.

Перевагами манометричних термометрів є порівняно проста конструкція і використання, можливість дистанційного вимірювання температури і можливість автоматичного запису показів.

До недоліків манометричних термометрів відносять: відносно невисока точність вимірювання (клас точності 1.6; 2.5; 4.0 і рідше 1.0); невелика відстань дистанційної передачі показів (не більше 60 метрів) і складність ремонту при розгерметизації вимірювальної системи.

Манометричні термометри не мають широкого використання на теплових електричних станціях. В промисловій теплоенергетиці вони зустрічаються частіше, особливо у випадках, коли за умов вибухо- або пожежобезпеки не можна використовувати електричні методи дистанційного вимірювання температури.


Електричні термометри опору


Для вимірювання температур до 650 ⁰С застосовуються термометри опору (ТО), принцип дії яких заснований на використанні залежності електричного опору речовини від температури. Знаючи дану залежність, по зміні величини опору термометра судять про температуру середовища, в яке він занурений. Вихідним параметром пристрою є електрична величина, яка може бути виміряна з вельми високою точністю (до 0.02 ⁰С), передана на великі відстані і безпосередньо використана в системах автоматичного контролю і регулювання.

Як матеріали для виготовлення чутливих елементів ТО використовуються чисті метали: платина, мідь, нікель, залізо і напівпровідники.

Зміна електроопору даного матеріалу при зміні температури характеризується температурним коефіцієнтом опору , який обчислюється по формулі:

(1)

де t – температура матеріалу, ⁰С;

R₀ і R_t – електроопір відповідно при 0 ⁰С і температурі t, Ом.

Опір напівпровідників із збільшенням температури різко зменшується, тобто вони мають негативний температурний коефіцієнт опору практично на порядок більше, ніж у металів. Напівпровідникові термометри опору (ТОНП) в основному застосовуються для вимірювання низьких температур.

Перевагами ТОНП є невеликі габарити, мала інерційність, високий коефіцієнт . Проте вони мають і істотні недоліки: нелінійний характер залежності опору від температури; відсутність відтворності складу і градуювальної характеристики, що виключає взаємозамінність окремих ТО даного типу. Це приводить до випуску ТОНП з індивідуальним градуюванням.


Типи і конструкції ТО

Для вирішення різних задач ТО поділяють на еталонні, зразкові і робочі, які у свою чергу підрозділяються на лабораторні і технічні.

Еталонні ТО призначені для відтворення і передачі температурної шкали.

Технічні ТО залежно від призначення і конструкції діляться на: занурювані, поверхневі і кімнатні; захищені і незахищені від дії агресивного середовища; стаціонарні і переносні; термометри 1-го, 2-го і 3-го класів точності і т.д. На рис.3 представлені конструкції промислових ТО. Термометр складається з чутливого елемента 1, розташованого в захисному сталевому чохлі 3, на якому приварений штуцер 2 з різьбою М27х2. Дроти 4, армовані фарфоровими намистами 6, сполучають виходи чутливого елемента з клемною колодкою 5, головки 7, що знаходиться в корпусі. Зверху головка закрита кришкою 8, знизу є сальниковий вхід 9, через який здійснюється підведення монтажного кабелю 10. При вимірюванні температури середовищ з високим тиском на чохол ТО встановлюється спеціальна захисна (монтажна) гільза 12.

Чутливий елемент ТО виконаний з металевого тонкого дроту з безіндукційним каркасним або безкаркасним намотуванням.

Значно рідше зустрічаються напівпровідникові термометри опору (ТОНП) для вимірювання температури (-90)(+180) ⁰С. Їх застосовують в термореле, низькотемпературних регуляторах, що забезпечують високоточну стабілізацію чутливих елементів газоаналізаторів, хроматографів, корпусів пірометрів.

Мостові схеми вимірювання опору термометрів

Для вимірювання опору використовують чотириплечі урівноважені (ручні або автоматичні) і неврівноважені мости.

Урівноважений міст, принципова схема якого приведена на рис.2а, використовується для визначення величини опору при градуюванні ТО і при вимірюваннях температури в лабораторних умовах.

Нульовий метод вимірювання характеризується високою точністю, оскільки виключається вплив навколишньої температури, магнітних полів і зміни напруги батареї живлення Б. Проте значна похибка може виникати при зміні опору сполучних дротів Rл, що викликається значними сезонними і добовими коливаннями температури в місцях проходження кабелю, що з’єднує ТО і вимірювальний міст.

На рис.4б представлена трипровідна схема включення ТО, в якій одна вершина діагоналі живлення (В) перенесена безпосередньо до термометра. Для рівноваги моста можна записати:

,

звідки.

Неврівноважений міст виключає необхідність виконання ручних операцій по зміні величини R₃. В ньому замість нуль-приладу G в діагональ моста АС встановлюється міліамперметр. При постійній напрузі живлення і постійних опорах R₁, R₂, R₃ через цей прилад протікає струм, величина якого залежить (нелінійно) від зміни R_Т.

Автоматичні урівноважені мости широко використовуються для вимірювання і реєстрації температури в комплекті з ТО. Їх характеризує висока точність і можливість використовування в системах автоматичного регулювання. Вони випускаються різних модифікацій: одно- і багатоточкові, з дисковою або стрічковою діаграмою, з сигнальними пристроями та ін.

На рис.5 приведена принципова схема автоматичного урівноваженого моста, який, так само як ручний урівноважений міст, реалізує нульовий метод вимірювання опору.

Термометр опору Rt підключений до приладу по трипровідній схемі. У вимірювальну схему моста входять врівноважуючий реохорд Rр з шунтуючим його резистором Rш (обмежує струм, що проходить по реохорду); резистори Rн і Rк, що визначають початок і кінець шкали; спіралі r_н і r_к, що забезпечують точну підгонку діапазону шкали і є частиною резисторів Rн і Rк; резистори R₁, R₂ і R₃, щ створюють постійні плечі моста; TО Rt є змінним плечем; баластний резистор Rб, який обмежує струм в мостовій схемі і забезпечує мінімальний нагрів ТО; підгоночні резистори Rп1 і Rп2, що забезпечують опір лінії, що підводить, Rл=5 Ом (кожний з двох сполучних дротів має опір 2.5 Ом).

Електронний підсилювач змінного струму ЕУ включений в діагональ ab і забезпечує посилення розбалансу, що виникає у вимірювальній схемі при зміні опору ТО Rt. Посилений сигнал поступає на вхід двигуна РД, який обертанням валу примушує переміщатися рухому каретку реєструючого пристрою е і реохорда Rр. Обертання валу відбувається до тих пір, поки не наступить нова рівновага схеми; напруга розбалансу стане рівною 0, сигнал на вході РД також зникне і двигун зупиниться.

Живлення вимірювальної схеми моста проводиться через діагональ d за допомогою силового трансформатора ЕУ змінним струмом напругою 6.3 В і частотою 50 Гц. Синхронний двигун СД переміщає діаграмний папір щодо пера або друкуючого пристрою з постійною швидкістю.


Термоелектричні термометри


Для вимірювання температури в металургії найпоширеніші термоелектричні термометри, що працюють в інтервалі температур від -200 до +2500 ^0C і вище. Даний тип пристроїв характеризує висока точність і надійність, можливість використовування в системах автоматичного контролю і регулювання параметрів.

Суть термоелектричного методу полягає у виникненні ЕРС в провіднику, кінці якого мають різну температуру. Для того, щоб виміряти цю ЕРС, її порівнюють з ЕРС іншого провідника, що створює з першим термоелектричну пару AB (рис.6), в ланцюзі якої потече струм.

Результуюча термо-ЕРС ланцюга, що складається з двох різних провідників А і B (однакових по довжині):



або

(1)

де і - різниці потенціалів провідників А і B відповідно при температурах t2 і t1, мВ.

Термо-ЕРС даної пари залежить тільки від температури t1 і t2 і не залежить від розмірів термоелектродів (довжини, діаметра), величин теплопровідності і питомого електроопору.

Термоелектричний термометр (ТТ) – це вимірювальний перетворювач, чутливий елемент якого (термопара) розташований в спеціальній захисній арматурі, що забезпечує захист термоелектродів від механічних пошкоджень і дії вимірюваного середовища. На рис.7 показана конструкція технічного ТТ. Арматура включає захисний чохол 1, гладкий або з нерухомим штуцером 2, і головку 3, усередині якої розташовано контактний пристрій 4 із затискачами для з'єднання термоелектродів 5 з дротами, що йдуть від вимірювального приладу до термометра. Термоелектроди по всій довжині ізольовані один від одного і від захисної арматури керамічними трубками (намистами) 6.

Захисні чохли виконуються з газонепроникних матеріалів, що витримують високі температури і агресивну дію середовища. При температурах до 1000 ⁰С застосовують металеві чохли з вуглецевої або неіржавіючої сталі, при більш високих температурах – керамічні.

В якості термоелектродів використовується дріт діаметром 0.5 мм (благородні метали) і до 3 мм (неблагородні метали). Спай на робочому кінці 7 термопари утворюється зваркою, паянням або скручуванням. Останній спосіб використовується для вольфраморенієвих і вольфрам-молібденових термопар.

Для вимірювань найбільш широко застосовуються ТТ із стандартними градуюваннями: платинородій-платинові (ТПП), платинородій-платинородієві (ТПР), хромель-алюмелеві (ТХА), хромель-копелеві (ТХК), вольфрамореній-вольфраморенієві (ТВР). У ряді випадків використовують також ТТ із нестандартним градуюванням: мідь-константанові, вольфрам-молібденові (ТВР).


Вимірювання термо-ЕРС

Вимірювання термо-ЕРС термопари прямим шляхом, по силі струму в ланцюзі постійного опору, за допомогою мілівольтметра можна здійснити порівняно просто. Проте цей метод володіє рядом недоліків, які створюють додаткові похибки, що в більшості випадків не дозволяє досягти високої точності вимірювання.

У вимірювальній техніці окрім прямих методів вимірювання відомі компенсаційні методу або методи зіставлення (порівняння) невідомої величини відомій. Компенсаційні методи дозволяють провести вимірювання більш точно, хоча і не завжди так просто, як пряме вимірювання.

Основна перевага компенсаційного вимірювання термо-ЕРС , в порівнянні з прямим, за допомогою мілівольтметра, полягає в тому, що у момент вимірювання струм в ланцюзі термопари рівний 0. Це означає, що величина опору зовнішнього ланцюга не має значення: ніякої підгонки опору зовнішнього ланцюга робити не треба і турбуватися про вплив температури навколишнього середовища на зовнішній ланцюг немає необхідності.


Автоматичні потенціометри

Автоматичні потенціометри служать для компенсаційних вимірювань термо-ЕРС без ручних маніпуляцій, властивих неавтоматичним потенціометрам. В останніх ручні маніпуляції після стабілізації струму зводяться до наступної необхідності переміщати контакт реохорда до тих пір, поки стрілка гальванометра не стане на нуль. При цьому переміщення контакту проводиться в цілком певному напрямі.

Вимірювальна схема автоматичного потенціометра у принципі не відрізняється від схеми не автоматичного потенціометра (рис.8).

Схема має три джерела напруги (батарея б, нормальний елемент НЕ і термопару Т) і три ланцюги.

Ланцюг батареї виконаний у вигляді моста: в діагональ BD включається живлення, а в діагональ CA - ланцюг термопари.

Ланцюг нормального елемента підключається до плеча CD компенсаційного ланцюга.

За допомогою перемикача П в ланцюг термопари або в ланцюг нормального елемента включається електронний підсилювач ЕУ . При включенні ланцюга нормального елемента вводиться шунтуючий опір R₁, паралельний електронному підсилювачу.

Електронні автоматичні потенціометри називають іноді приладами з безперервним балансуванням, оскільки вимірювання розбалансу проводиться тут з частотою змінного струму 50 Гц.

Широке використання мають багатоточкові автоматичні потенціометри з самописним пристроєм, призначеним для запису показів декількох термопар. Такі потенціометри мають автоматично діючі перемикачі для почергового включення у вимірювальний ланцюг ланцюгів окремих термопар. Запис проводиться або різним кольором, або певними знаками для кожної термопари.

Повірка потенціометрів проводиться шляхом порівняння їх показів з показами зразкових потенціометрів вищого класу точності.


Безконтактне вимірювання температури


Основні поняття і закони випромінювання

Про температуру нагрітого тіла можна судити на підставі вимірювання параметрів його теплового випромінювання, що є електромагнітними хвилями різної довжини. Чим вище температура тіла, тим більше енергії воно випромінює.

Термометри, дія яких заснована на вимірюванні теплового випромінювання, називають пірометрами. Вони дозволяють контролювати температуру від 100 до 6000 ⁰С і вище. Одним з головних переваг даних пристроїв є відсутність їх впливу на температурне поле нагрітого тіла, оскільки в процесі вимірювання вони не вступають в безпосередній контакт один з одним. Тому дані методи отримали назву безконтактних.

Залежно від типу пірометра розрізняються радіаційна, яскравісна, колірна температури.

Радіаційною температурою реального тіла Тр називають температуру, при якій повна потужність абсолютно чорного тіла (АЧТ) рівна повній енергії випромінювання даного тіла при дійсній температурі Тд.

Температурою яскравості реального тіла Тя називають температуру, при якій густина потоку спектрального випромінювання АЧТ рівна густині потоку спектрального випромінювання реального тіла для тієї ж довжини хвилі (або вузького інтервалу спектру) при дійсній температурі Тд.

Колірною температурою реального тіла Тк називають температуру, при якій відношення густини потоків випромінювання АЧТ для двох довжин хвиль і рівно відношенню густини потоків випромінювань реального тіла для тих же довжин хвиль при дійсній температурі Тд.

До пірометрів часткового випромінювання, що вимірюють температуру яскравості об'єкту, відносяться монохроматичні оптичні і фотоелектричні пірометри, що вимірюють енергію потоку у вузькому діапазоні довжин хвиль.


Оптичні пірометри

Принцип дії оптичних пірометрів заснований на використовуванні залежності густини потоку монохроматичного випромінювання від температури. На рис.9 представлена схема оптичного пірометра із "зникаючою" ниткою, принцип дії якого заснований на порівнянні яскравості об'єкту вимірювання і градуйованого джерела випромінювання в певній довжині хвилі.



Зображення випромінювача 1 лінзою 2 і діафрагмою 4 об'єктиву пірометра фокусується в площині нитки розжарення лампи 5. Оператор через діафрагму 6, лінзу 8 окуляра і червоний світлофільтр 7 на фоні розжареного тіла бачить нитку лампи. Переміщаючи контакт реостата 11, оператор змінює силу струму, що проходить через лампу, і добивається зрівнювання яскравості нитки і яскравості випромінювача. Якщо яскравість нитки менше яскравості тіла, то вона на його фоні виглядає чорною смужкою, при більшій температурі нитки вона виглядатиме, як світла дуга на більш темному фоні. При рівності яскравості випромінювача і нитки остання "зникає". Цей момент свідчить про рівність температур яскравості об'єкту вимірювання і нитки лампи.

Живлення лампи здійснюється за допомогою батареї 10. Прилад 9, фіксуючий силу струму, що протікає у вимірювальному ланцюзі, наперед проградуйований в значеннях залежності між силою струму і температурою яскравості АЧТ, що дозволяє проводити зчитування результату в ⁰С.

Даний тип пірометрів дозволяє вимірювати температуру від 700 до
8000 ⁰С. Для оптичних пірометрів промислового використання в інтервалі температур 12002000 ⁰С основна допустима похибка вимірювання складає 20 ⁰С.

На точність вимірювання впливають невизначеність і змінність спектрального ступеня чорноти, можлива зміна інтенсивності випромінювання за рахунок ослаблення в проміжному середовищі, а так само за рахунок віддзеркалення стороннього проміння.


Література

1. Жарковский Б.И. Приборы автоматического контроля и регулирования.- М.: Высшая школа, 1989.- 336 с.
   
2. Исакович Р.Я. Технологические измерения и приборы. Изд. 2-е переработанное. – М.: Недра, 1979. – 344 с.
   
3. Кремлёвский Р.Я. Технологические измерения и приборы. Изд. 2-е переработанное. – М.: Недра, 1979. – 344с.
   
4. Трофимов А.И., Ширяев А.А. Справочник слесаря КИП и А.- М.: Энергоатомиздат, 1986.- 256 с.
   
5. Шевцов Є.К., Ревун М.П. Основи метрології та електричні вимірювання. Навч. пос. – Запоріжжя: ЗДІА,2001.- 205с.