Файл: Автоматизация_Staroverov.doc

Глава 7. Контроль температуры

1. ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ШКАЛЫ. КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ И УСТРОЙСТВ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

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), петролей- ный 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)

Таблиця 2

Технические характеристики стеклинных ртутных, термометров типа ТТ

Примечания: 1. Длина верхней части термометров, приведенных в таблице, равна 240 мм. Термометры П-2—П-6 и У-2—У-6 с максимальной ценой деления шкалы выпускают с длиной верхней части 160 мм. 2. Диаметр верхней части термометра равен 20 мм, нижней — не более 8,5 мм. 3. Погрешность показаний термометров не превышает одного деления шкалы.

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.

Преимуществами жидкостных термометров являются простота их устройства и небольшая стоимость при относительно высокой точности показаний. К числу недостатков жидкостных термометров относятся значительная тепловая инерция (запаздывание показа­ний), невозможность автоматической регистрации и передачи на расстояние без дополнительных специальных приспособлений и низкая прочность. В литейных и термических цехах их исполь­зуют только для измерения температуры воздуха цеха, темпера­туры свободных концов термопары, для проверки приборов в лабораторных условиях, для измерения температуры охлажда­ющей жидкости в закалочных баках и ваннах и т. п.

Действие дилатометрических и биметаллических термометров основано на различии температурных коэффициентов линейного расширения твердых тел,а.

Таблица З Технические характеристики дилатометрических гермометров

Рис. 47. Дилатометриче­ский показывающий тер­мометр

В дилатометрическом термометре (рис. 47) чувствительным элементом является латунная трубка 3 (активный элемент), вну­три которой находится инварный (или кварцевый) стержень 2 (пассивный элемент). Инварный стержень применяется для рабо­чих температур до 150 °С, а кварцевое стекло — для температур более 150 °С. Один конец трубки закрыт пробкой 1, второй — ввин­чен в корпус 4, где находятся передаточный механизм, стрелка и шкала. С помощью ниппеля 5 термометр закрепляется на стенке или крышке устройства, в котором измеряется температура. При повышении температуры длина трубки 3 увеличивается зна­чительно больше, чем длина стержня 2, вследствие чего он пере­мещается внутри трубки, увлекая за собой опирающийся на него толкатель 6. С помощью передаточных рычагов 7, 8 и 9 и пружины 10 толкатель 6 воздействует на стрелку //, которая, перемещаясь по шкале 12, занимает положение, соответствующее измеряемой температуре.

Чувствительность дилатометрического термометра определяется "го длиной, т. е. для повышения чувствительности необходимо увеличивать длину термометра (табл. 3).

Показывающие дилатометрические термометры широко приме­няют за рубежом, их производство налаживается и в нашей стране,

Рис. 48. Конструкция биметаллического термометра

где их пока еще используют в качестве первичных преобразователей температуры в системах автоматического контроля и ре­гулирования температуры. Пределы изме­ряемых температур лежат в диапазо­не —60 ... +1000 С, разбитом для каждого прибора на поддиапазоны. Например, тер­мометр марки ТуДЭ имеет 12 поддиапазо нов, его погрешность ±1,5 °С.

К преимуществам термометров этого типа можно отнести низкую стоимость, простоту устройств и высокую надежность, к недо­статкам — относительно большую тепловую инерцию.