Файл: Петров И.К. Технологические измерения и приборы в пищевой промышленности учебник.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.04.2024
Просмотров: 234
Скачиваний: 1
образом, одно деление в начале шкалы не соответствует точно одному делению в конце шкалы. Как показали дальнейшие ис следования, в природе нет жидкостей или газов с линейной за висимостью между объемным расширением и температурой.
В 1848 г. английский ученый Кельвин предложил термодина мическую шкалу температур, основанную на использовании вто рого закона термодинамики. В этом случае температура опреде ляется на основании следующего выражения:
Шкала температур определится, если задать числовые значе ния для ее двух основных точек.
Строго говоря, осуществить шкалу Кельвина невозможно, так как она выведена из идеального цикла Карно, т. е. цикла, осу ществляемого без тепловых потерь. В связи с этим появилась необходимость разработать такую практическую температурную шкалу, которая совпадала бы с термодинамической и позволяла бы расширить диапазон, а также отличалась бы удобством и на дежностью воспроизведения.
В настоящее время предусматривается применение двух тем пературных шкал: термодинамической температурной шкалы и международной практической температурной шкалы. Темпера туры в этих шкалах выражаются соответственно в Кельвинах (К)
и в градусах Цельсия |
(°С). |
|
|
Основной является |
термодинамическая |
температура |
(сим |
вол Т), единица которой кельвин является |
'/273,16 частью |
термо |
динамической температуры тройной точки воды. Температура
Цельсия (символ t) |
определяется выражением |
|
|
где Г0 = 273,15 К. |
t = T-T0, |
|
(151) |
|
|
|
|
Международная |
практическая |
температурная |
шкала |
(МПТШ-68)* выбрана таким образом, чтобы температура, изме ренная по ней, была близка к термодинамической температуре, насколько это возможно в пределах современной точности изме рений. Она основана на значениях температур, присвоенных определенному числу воспроизводимых состояний равновесия (определяющих постоянных точек), и на использовании специ фицированных аттестованных интерполяционных приборов. Ин терполяция температур между постоянными точками произво дится по формулам, устанавливающим связь между показания ми этих приборов и значениями международной практической шкалы температуры.
Определяющие постоянные точки воспроизводят, реализуя со-, стояния равновесия между фазами чистых веществ (тройная точ-
* Международная практическая температурная шкала, действующая в настоя
щее время, принята Международным комитетом мер и весов на сессии 1968 |
г. |
6 И. К. Петров |
81 |
ка равновесного водорода; точка кипения неона; тройная точка кислорода; тройная точка воды; точки затвердевания цинка, се ребра, золота и некоторые другие), которым присвоены опреде ленные значения международной практической шкалы темпера туры.
В диапазоне между —259,34° С (тройная точка равновесного водорода) и 630,74° С в качестве эталонного прибора применяет ся специальный платиновый термометр сопротивления. Между 630,74 и 1064,43° С (точка затвердевания золота) эталонным при бором служит платинородий (10% родия)-платиновая термопа ра. Выше 1064,43° С (1337,58 К) Международную практическую температурную шкалу воспроизводят с помощью закона излуче ния Планка при 1337,58 К в качестве исходной температуры.
Существует большое количество приборов — |
т е р м о м е т |
|
р о в , служащих для измерения |
температуры путем |
преобразова |
ния ее в показание или сигнал, |
являющийся известной функцией |
температуры, и основанных на использовании, как правило, двух методов измерения: контактном и бесконтактном.
Контактный метод состоит в том, что измерение температуры производится путем непосредственного контакта чувствительного элемента термометра с измеряемой средой. Термометры, в осно
ву которых положен контактный метод измерения |
температуры, |
||||||
подразделяются на три основные группы: |
|
|
|
|
|
||
1) т е р м о м е т р ы |
р а с ш и р е н и я , , |
действие |
которых ос |
||||
новано на использовании зависимости удельного объема |
вещест |
||||||
ва от температуры. В свою очередь они подразделяются |
на тер |
||||||
мометры жидкостные, дилатометрические |
и |
манометрические; |
|||||
2) т е р м о э л е к т р и ч е с к и е |
т е р м о м е т р и , |
действие ко |
|||||
торых основано на использовании термоэлектродвижущей |
силы |
||||||
термопары от температуры; |
|
|
|
|
|
|
|
3) э л е к т р и ч е с к и е |
т е р м о м е т р ы |
с о п р о т и в л е |
|||||
н и я , действие которых основано |
на использовании |
зависимости |
|||||
электрического сопротивления вещества от температуры. |
|
|
|||||
Бесконтактный метод |
состоит |
в том, что для измерения |
тем |
пературы используется тепловое излучение нагретых тел. Термо метры, в основу которых положен бесконтактный метод, называ ются п и р о м е т р а м и и подразделяются на я р к о с т н ы е , р а д и а ц и о н н ы е и ц в е т о в ы е .
§ 2. ТЕРМОМЕТРЫ РАСШИРЕНИЯ
ЖИДКОСТНЫЕ ТЕРМОМЕТРЫ
Измерение температуры жидкостными термометрами расши рения основано на различии коэффициентов объемного расшире ния материала оболочки термометра и жидкости, заключенной в ней. В качестве рабочего вещества чаще всего применяется ртуть или этиловый спирт, в некоторых случаях толуол, эфир,
пентан и др. Оболочка |
термометров |
изготовляется из |
|
термометрических сортов |
стекла с |
малым |
коэффициентом |
расширения. Д л я измерения высоких |
температур применяется |
||
кварц. |
|
|
|
Жидкостные стеклянные |
термометры изготовляются в широ |
ком ассортименте: общепромышленные, медицинские, сельскохо зяйственные, гидрометеорологические и др. Специально для пи щевой промышленности выпускаются термометры, применяемые
в |
хлебопечении, |
рефрижераторах, зерно- и овощехранилищах |
и |
т. п. Пределы |
измерения стеклянных термометров от —70 до |
+700°-С. |
|
|
|
Динамические свойства ртутных стеклянных термометров опи |
|
сываются передаточной функцией |
||
|
|
Ке~хр |
|
Запаздывание |
т для различных термометров лежит в пре |
делах 0,1—2 с, постоянная времени Т — в пределах 3,2—45 с. За паздывание и постоянные времени термометров в защитных чех
л а х несколько |
больше |
и |
составляют соответственно |
3,5—9 |
||||
и 34—152 с. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ДИЛАТОМЕТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ |
|
|
|||||
Термометры, действие которых основано на тепловом |
расши |
|||||||
рении твердых |
тел, называются дилатометрическими. Они изго |
|||||||
товляются двух основных типов: с т е р ж н е в ы е и |
б и м е т а л |
|||||||
л и ч е с к и е . |
|
|
|
|
|
|
|
|
Принцип |
действия |
с т е р ж н е в о г о |
д и л а т о м е т р и ч е |
|||||
с к о г о т е р м о м е т р а |
(рис. 34) основан на использовании раз |
|||||||
ности удлинений трубки |
/ и стержня 2 при нагревании |
вследст |
||||||
вие различия их коэффициентов линейного |
расширения. Трубка |
|||||||
изготовляется |
из материала |
с малым коэффициентом линейного |
||||||
расширения |
(кварц, инвар), |
а стержень — с большим |
(латунь, |
|||||
медь, алюминий, сталь). Движение стержня передается |
стрелке |
|||||||
прибора с помощью механической передачи 3. |
|
|
||||||
Б и м е т а л л и ч е с к и й |
д и л а т о м е т р и ч е с к и й |
т е р |
||||||
м о м е т р |
(рис. 35) имеет чувствительный |
элемент |
в виде спи |
|||||
ральной |
(или плоской) |
пружины, состоящей из двух |
пластин из |
|||||
разных металлов, сваренных |
по всей длине. Внутренняя |
пласти |
на имеет больший коэффициент линейного расширения, чем внеш няя, поэтому при нагреве такая пружина раскручивается. По добными термометрами измеряется температура в пределах от —150 до +700° С (погрешность 1—2,5%). Они широко применя ются в холодильных установках, бытовых холодильниках, конди
ционерах |
и т. п. На базе этих термометров |
изготовляются и вы |
пускаются |
простейшие автоматические |
регуляторы темпера |
туры. |
|
|
6* |
83 |
Рис. 36. Манометрический термометр.
МАНОМЕТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ
Термометры, действие которых основано на использовании зависимости давления вещества при постоянном объеме от тем
пературы, называются манометрическими. |
|
||||
В зависимости от заполнителя |
(рабочего |
вещества) эти тер |
|||
мометры |
подразделяются |
на |
г а з о в ы е , |
ж и д к о с т н ы е |
|
и к о н д е н с а ц и о н н ы е . |
Устройство |
всех |
типов манометриче |
||
ских термометров аналогично. Прибор |
(рис. 36) состоит из тер |
||||
мобаллона |
/, капиллярной |
трубки 6 длиной |
до 60 м, защищен |
ной металлическим рукавом 7, и манометрической части, заклю ченной в корпусе 5. Вся система прибора заполняется рабочим веществом. При нагреве термобаллона увеличивается объем жидкости или повышается давление рабочего вещества внутри замкнутой термосистемы. Эти изменения воспринимаются мано метрической трубкой 3 (см. стр. 135), которая через передаточ ный механизм, состоящий из тяги 4 и сектора 2, воздействует на стрелку прибора. Термобаллон обычно снабжается хвостови ком 8 и изготовляется из нержавеющей стали, а капилляр — из медной или стальной трубки диаметром 0,15—0,5 мм. Диапазон измерения температур с помощью манометрических термометров от —120° С до +600° С. Класс точности 1,5—2,5. Эти приборы просты по устройству, дешевы и надежны. Поэтому они исполь зуются практически во всех отраслях пищевой промышленности как для технологического контроля, так и для автоматического регулирования. На базе манометрических термометров изготов ляется ряд термореле, многие из которых выпускаются специ ально для пищевой промышленности.
Основным недостатком манометрических термометров явля ется большая инерционность, достигающая 1,5 мин и более.
Газовые манометрические термометры. В этих приборах гер метически замкнутая термосистема заполняется азотом, термо
динамические свойства которого близки к свойствам |
идеального |
||
газа. Начальное давление газа |
в термосистеме |
составляет |
|
1—5 МПа . Зависимость давления |
от температуры в этих термо |
||
метрах выражается формулой |
|
|
|
|
fc = P o [ i - P ( ' ~ ' o ) ] . |
( 1 5 3 > |
|
где |
Pt —давление рабочего вещества при температуре /, Па; |
|
|
|
Ро — давление рабочего вещества при температуре t0, Па; |
|
|
|
Р—термический коэффициент расширения газа, 1/°С; |
|
|
t0 |
и t—начальная и конечная температура, °С. |
|
Из формулы (153) видно, что шкала прибора линейная. Вследствие высокого давления газа в термосистеме колебания ат мосферного давления незначительно влияют на показания при бора. Колебания же температуры окружающей среды вызывают заметные погрешности. Однако при правильно подобранном со отношении объема термобаллона и суммарного объема капил ляра и манометрической трубки погрешности могут быть сведе-
ны к минимуму. При объеме термобаллона, в несколько раз пре вышающем объем капилляра и манометрической трубки, погрешности от изменения окружающей температуры невелики!
Передаточная функция манометрического термометра с газо вым заполнением описывается следующим уравнением:
^ ( Л р + . н ^ + і Г |
( 1 5 4 ) |
|
Постоянная времени Т{ в зависимости от измеряемой темпе |
||
ратуры лежит в пределах 3—27 с, Т2 |
= 1,5 с. |
Термосистема |
Жидкостные манометрические |
термометры. |
в этих приборах заполняется жидкостью — ртутью или ксилолом. При повышении температуры термобаллона жидкость в нем рас ширяется и заставляет перемещаться конец манометрической трубки. Избыточный объем жидкости, вытесняемый из термобал лона
AV = ( p - 3 o ) ( r - / 0 ) V 0 , |
(155) |
где AV — избыточный объем жидкости, м8 ;
Р и а — коэффициенты объемного расширения жидкости и материала термо баллона соответственно, 1/°С;
t — измеряемая температура, °С;
t0—температура, при которой производится заполнение термосистемы, обычно 20° С;
V0— объем жидкости при температуре to, м3 .
Из формулы (155) видно, что шкала жидкостных манометри ческих термометров линейная. Благодаря тому что жидкости, за полняющие термосистему, обладают большой теплопроводно стью, инерционность этих термометров меньше, чем газовых. Од нако погрешности от колебания температуры окружающей среды значительнее, чем у газовых термометров. Это вызывает необхо димость при большой длине капилляра вводить специальное ком пенсационное устройство, которое представляет собой капилляр такой же длины, но без термобаллона.
Поправку на изменение внешнего атмосферного давления вводить не требуется, так как жидкость практически не сжимае ма. Жидкостные приборы, как и газовые, изготовляются различ ных модификаций и назначений.
Конденсационные манометрические термометры. Термобал лон в этих термометрах обычно заполняется на 2 /з объема низкокипящей жидкостью — этилхлоридом, метилхлоридом, ацетоном. При повышении температуры усиливается испарение жидкости и увеличивается давление пара в термосистеме, которое через капилляр передается к манометрической пружине. Однако изме нение давления пара не пропорционально изменению температу ры, что является одним из недостатков этого типа приборов, шкала которых нелинейна. Конденсационные приборы наиболее чувствительны, однако диапазон измерения их невелик: 0—200° С. На показания приборов влияют изменения атмосферного давле ния, но не влияют изменения температуры окружающей среды.