Файл: Основы автоматизации производства.doc

Температура является одним из основных параметров, определяющую ход и продолжительность многих процессов в литейных и термических цехах. Точная оценка температуры определяет эффективность автоматического управления. Многообразие поставленных задач обусловило появление и развитие большого числа разнообразных методов и устройств измерения температуры.

Под температурой понимается величина, характеризующая тепловое состояние тел и определяемая количеством внутренней кинетической энергии теплового движения молекул.

Измерить температуру, подобно тому как измеряют длину, массу или объем, нельзя, так как температуры не складываются. Не существует такой единицы температуры, которой можно непосредственно измерять любую температуру, подобно тому как метром измеряют любую длину. Длина, масса и объем – примеры экстенсивных (количественных) свойств системы. Если металлический стержень разделить на несколько частей, температура каждой из них от этого не изменится. Температура – пример интенсивных (качественных) свойств системы. Следовательно, для измерения температуры необходимо использовать объективную связь между температурой и любой экстенсивной величиной: изменением объема, длины и т.п.

В настоящее время предусматривается применение двух температурных шкал: термодинамической и международной практической.

Термодинамическая шкала базируется на втором законе термодинамики, связывающим количество содержащегося в теле тепла, с его температурой. Эта шкала была предложена в середине прошлого века английским ученым Томсоном, получившим за свои научные открытия титул лорда Кельвина, и носит в настоящее время его имя. Температуру, измеряемую по этой шкале, обозначают буквой Т, за единицу в ней принят кельвин – К. Термодинамической эта шкала называется потому, что измерение температуры проводится на основании термодинамического закона работы идеального теплового двигателя по циклу Карно. Один градус по термодинамической шкале соответствует повышению температуры, которое равно 1/100 части работы по циклу Карно между точками плавления льда и кипения воды. Такой подход к определению одного градуса был обусловлен сохранением преемственности со стоградусной шкалой Цельсия.

В производственной практике наиболее широко используется Международная практическая температурная шкала 1968 г. (МРТП–68), которая совпадает с термодинамической шкалой и позволяет расширить температурный диапазон работы приборов. Она установлена для интервалов температур 13,81 ... 6300 К.

При измерении разности температур градус Цельсия (°С) в точности равен Кельвину, но в Международной практической шкале за 0 °С принята температура тающего льда при нормальном атмосферном давлении, а температура кипящей воды при том же давлении принята за 100 °С. Для перехода от температуры в кельвинах (Т) к температуре в градусах Цельсия (£) и наоборот служит формула

Т = t + 273,15.

Для измерения температуры твердых, жидких и газообразных сред на практике используется большое число разнообразных устройств, которые в общем носят названия термометров.

Все технические приборы по методу измерения температуры подразделяют на две группы: контактные и бесконтактные. К первой группе относятся термометры расширения, монометрические, термоэлектрические термометры и электрические термометры сопротивления (терморезисторы). Во вторую группу входят пирометры различного типа. Приведенная классификация положена в основу при рассмотрении приборов и устройств контроля температуры.

2. Термометры расширения

Как правило, при повышении температуры тела увеличиваются в объеме. Поэтому свойство изменять объем при нагреве или охлаждении может служить мерой его температуры. Приборы, работа которых основана на этом принципе, называют термометрами расширения; их подразделяют на три группы: жидкостные стеклянные, дилатометрические (стержневые) и биметаллические.

Принцип действия жидкостных стеклянных термометров основан на различии коэффициентов объемного расширения жидкости (термометрические вещества) и стекла, используемого для удержания жидкости.

Жидкостные термометры представляют собой небольшой стеклянный (реже кварцевый) резервуар (ампулу), верхняя часть которого переходит в вертикальный капилляр.

Резервуар и частично капилляр заполнены термометрической жидкостью. Резервуар современных жидкостных термометров – вытянутый (или сплющенный) цилиндр. Диаметр капилляра выбирают в зависимости от диапазона и точности измерения температуры. Чем выше точность термометра, тем меньше диаметр капилляра.

В зависимости от диапазона измерения в качестве термометрической жидкости используют пентан (–200 ... +20 °С), петролейный эфир (–120 ... +25 °С), этиловый спирт (–80 ... +70 °С), толуол (–90 ... +200 °С), керосин (–60 ... +300 °С) и ртуть (–35 ... +750 °С).

При контакте с контролирующей средой термометр принимает ее температуру, а термометрическая жидкость нагревается или охлаждается, изменяя свой объем, т. е. уровень в капилляре. Именно по уровню жидкости судят о температуре.

Наиболее распространены ртутные термометры, что обусловлено целым рядом причин. Во-первых, ртуть остается жидкой в диапазоне температур –38 ... +350 °С при нормальном давлении и до +750 °С при небольшом повышении давления (для чего капилляр заполняется азотом) и обеспечивает высокую точность измерения. Во-вторых, ртуть легко поддается очистке, ее пары в капилляре создают малое давление, она не смачивает стекло. Последнее позволяет использовать капилляры с диаметром канала до 0,1 мм. Однако по сравнению с органическими жидкостями ртуть имеет в 8 раз меньший коэффициент объемного расширения, что естественно снижает чувствительность ртутных термометров (табл. 2).

Органические жидкости характеризуются в свою очередь меньшими стоимостью и вредностью в эксплуатации. Их применяют для измерения более низких температур. Вследствие смачивания стекла термометры с органическими жидкостями имеют меньшую точность измерения.

Для обеспечения задач позиционного регулирования и сигнализации температуры разработаны электроконтактные (ртутноконтактные) технические термометры двух типов: с постоянными контактами и подвижным верхним контактом.

Первый тип представляет собой ртутный термометр с впаянными в капилляр платиновыми контактами. Нижний (нулевой) контакт находится ниже начала шкалы, а верхний (их может быть несколько) впаян на уровне отметки шкалы, которая соответствует контролируемой температуре. В электроконтактных термометрах второго типа перемещающийся верхний контакт изготовляют из тонкой вольфрамовой проволоки. Контакт перемещают внутри капилляра с помощью постоянного магнита. Такой термометр обычно оснащается двумя шкалами: верхней – для установки контакта на заданную температуру, и нижней, по которой производится отсчет температуры.

Таблица 2

Технические характеристики стеклинных ртутных, термометров типа тт

Обозначение		Пределы измерения, °С	Цена деления шкалы, °С	Длина нижней части, мм
Прямые	Угловые	Пределы измерения, °С	Цена деления шкалы, °С	Прямые	Угловые
П-2	У-2	(–30 ... +50)	0,5; 1	66; 103; 163; 253; 403; 633; 1003	104; 141; 201; 291; 441; 671; 1041
П-4	У-4	0 ... 100	1
П-5	У-5	0 ... 160	1; 2
П-6	У-6	0 ... 200	1; 2
П-7	У-7	0 ... 300	2
П-8	У-8	0 ... 350	5
П-9	У-9	0 ... 400		103; 163; 253; 403	104; 141; 201; 291
П-10	У-10	0 ... 450
П-11	У-11	0 ... 500