Средства измерения температуры

 

2.6 Основная погрешность пирометра

Основную погрешность  определяют по формуле:

Δ = t_ср– t (2)

Где t_ср–среднее арифметическое значение температуры поверяемого пирометра;t–среднее арифметическое значение температуры образцовой температурной лампы при повышении и понижении ее температуры. Полученный результат сравнивают с допускаемым значением основной погрешности пирометра и при отклонении значений в одной точке поверку осуществляют при той же температуре повторно.

Пирометр бракуют, если при повторной  поверке основная погрешность превышает  допускаемое значение.

Поверку по излучателю модели черного  тела проводят аналогично в соответствии с техническими требованиями по эксплуатации излучателя.

Исходя из ГОСТ 8.566-96 «Измерители  эталонные (образцовые) в виде модели абсолютно черного тела для диапазона температур от -50…+2500 °С.  Методика аттестации и поверки» и ГОСТ 2843-96 «Пирометры. Общие технические требования», калибровка и поверка пирометров должна осуществляться с использованием эталонных излучателей. Применение эталонных излучателей позволяет построить всю шкалу и охватить практически всю номенклатуру пирометров. Соответственно возникает задача по разработке и организации выпуска абсолютно черных тел диапазона температур -50…2500 °С. При этом следует отметить, что излучатели в виде модели АЧТ являются эталонными мерами температуры переменного значения.

Первым фактором, влияющим на расстояние до контролируемого объекта является соответствие размера круга контроля и объекта: размер объекта должен превышать диаметр круга контроля так как в противном случае возникнет методическая погрешность  ∆t1.

Второй составляющей методической погрешности ∆t2, возникающей при  измерении на расстоянии следует  считать запыленность в месте  измерения. Чем больше концентрация пыли в зоне измерения, тем больше будут искажены результаты измерений  из-за ослабления излучения от объекта.

Следующим фактором ∆t3, искажающим картину  измерений может стать наличие  в поле зрения пирометра факелов  пламени. Завышение показаний пирометра  при попадании пламени в поле зрения зависит от его спектрального  диапазона. Если в спектральный диапазон работы прибора попадают линии поглощения CO2, искажение показаний прибора  будет максимальным. А если спектр прибора специально ориентирован на измерение температур объектов сквозь пламя и продукты сгорания (длина  волны 3.86 мкм), эта составляющая методической погрешности сведется к нулю.

Аналогичной возможной причиной искажения  показаний ∆t4 являются пары воды, которая  содержится в воздухе. Эта причина  актуальна в том случае, когда  спектральный диапазон прибора включает в себя линии поглощения паров  воды. При этом степень ослабления пирометрического сигнала зависит  от температуры воздуха, относительной  влажности воздуха и расстояния, с которого производится измерение.

Еще одной помехой измерениям на значительном расстоянии ∆t5 является отражение от объекта измерения, имеющего небольшой (менее 0.40) коэффициент  теплового излучения, излучения  от сторонних источников. Если эти  объекты имеют температуру выше, чем температура объекта, показания  пирометра будут завышены. Если же объекты имеют температуру ниже, чем температура объекта, показания пирометра будут занижены.

Таким образом, методическая погрешность  пирометрических измерений на значительном расстоянии может быть выражена суммой: ∆t=∆t1+∆t2+∆t3+∆t4+∆t5(3)      

Где ∆t1 – первая составляющая методической погрешности, ∆t2 – вторая составляющая методической погрешности, ∆t3 – третья составляющая методической погрешности, ∆t4 – четвёртая составляющая методической погрешности, ∆t5 - пятая составляющая методической погрешности.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Манометрические термометры

Действие манометрических  термометров основано на использовании  зависимости давления вещества при  постоянном объеме от температуры.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Замкнутая измерительная система  манометрического термометра состоит  из чувствительного элемента, воспринимающего  температуру измеряемой среды, металлического термобаллона 1, рабочего элемента манометра 2, измеряющего давление в системе, длинного соединительного металлического капилляра 3. При изменении температуры  измеряемой среды давление в системе  изменяется, в результате чего чувствительный элемент перемещает стрелку или  перо по шкале манометра, отградуированного  в градусах температуры. Термобаллон  представляет собой металлическую трубку, закрытую с одного конца, а с другого соединенную с капилляром. Посредством съемного штуцера с резьбой и сальником термобаллон устанавливается в трубопроводах, баках и т. П. Возможна установка его и в защитной гильзе. При нагреве термобаллона увеличение давления рабочего вещества передается через капилляр трубчатой пружине и вызывает раскручивание последней до тех пор, пока действующее на нее усилие, пропорциональное разности давлений в системе и окружающем воздухе, не уравновесится силой ее упругой деформации. В качестве упругого элемента в термометрах применяются одно- и многовитковая трубчатые пружины, изготовленные из медного сплава. Одновитковая пружина выполняется из трубки овального сечения, согнутой по окружности на угол 270°. Большая ось сечения трубки располагается параллельно оси окружности. Подвижный конец трубки наглухо закрыт, а неподвижный сообщается с измеряемой средой. Под действием внутреннего давления сечение пружины стремится принять форму круга, в результате чего она частично выпрямляется, вызывая при этом перемещение подвижного конца, соединенного с указательной стрелкой передаточным механизмом. Изменение давления в пружине вызывает пропорциональное перемещение стрелки. Многовитковая пружина, выполняемая в виде плоской спирали, имеет в сечении сплюснутую окружность и содержит 3—4 витка. Принцип действия этой пружины тот же, что и одновитковой, но перемещение подвижного конца и создаваемый вращающий момент у нее значительно больше.

 Манометрические термометры  часто используют в системах  автоматического регулирования  температуры, как бесшкальные  устройства информации (датчики). Манометрические  термометры подразделяют на три  основных разновидности: 
1. Жидкостные, в которых вся измерительная система (термобаллон, манометр и соединительный капилляр) заполнены жидкостью; 
2. Конденсационные, в которых термобаллон заполнен частично жидкостью с низкой температурой кипения и частично – ее насыщенными парами, а соединительный капилляр и манометр – насыщенными парами жидкости или, чаще, специальной передаточной жидкостью; 
3. Газовые, в которых вся измерительная система заполнена инертным газом.

Манометрическим термометрам свойствен  ряд погрешностей измерения. Кроме основной, вызываемой несовершенством работы пружины и передаточного механизма, эти приборы имеют также дополнительные погрешности: барометрическую, связанную с изменением атмосферного давления, температурную (у газовых и жидкостных термометров), возникающую при колебаниях температуры окружающего воздуха, и гидростатическую (у жидкостных и конденсационных термометров), появляющуюся при установке термобаллона и пружины на разных высотах.

По сравнению с ртутными термометрами существенными преимуществами манометрических  термометров являются: автоматическая запись показаний, возможность установки  прибора на некотором расстоянии от места измерения благодаря капилляру и большая механическая прочность. К недостаткам их относятся: невысокая точность измерения, большая инерционность вследствие значительных размеров термобаллона, а также трудность ремонта при нарушении плотности термосистемы.

 

3.1 Газовые манометрические термометры

Газовые манометрические  термометры заполняются азотом. Термометры имеют равномерную шкалу, так как изменение давления газа при постоянном объеме пропорционально изменению его температуры, т. Е.

(4) 

где р1 и p2 – начальное и конечное давления рабочего вещества, Мпа;

β – температурный коэффициент давления,

t1 и t2 – начальная п конечная температуры рабочего вещества, °С.

Для газов коэффициент давления β равен коэффициенту объемного расширения α , который имеет практически постоянное значение, равное 3,66•10-3 К-1. Таким образом, для газов равенство (2-10) имеет вид:

(5) 

В действительности изменение давления газа в системе будет несколько  меньшим, чем дает выражение (2-11), вследствие некоторого увеличения объема термобаллона при нагревании.

Барометрическая погрешность газового термометра уменьшается при повышении  в термосистеме начального давления р1, поэтому заполнение последней  азотом производится при давлении до 3,5 Мпа.

На показания газовых термометров  оказывают влияние отклонения температуры  воздуха, окружающего пружину и  соединительный капилляр, от ее значения при градуировке (обычно 20 °С). Для уменьшения температурной погрешности внутренний объем термосистемы выбирают таким, чтобы объем термобаллона в несколько раз превышал общий объем пружины и капилляра.

Газовые манометрические термометры часто выполняются с температурной компенсацией. Для этого между подвижным концом пружины и указательной стрелкой (или рычагом пара) включается небольшая изогнутая дилатометрическая пластинка (компенсатор), которая при изменениях температуры окружающего воздуха изгибается так, что перемещение конца пружины под действием этой температуры не отражается на показаниях термометра.

Выпускаются показывающие газовые  манометрические термометры типа ТПГ  и самопишущие тина ТГС, имеющие  спиральную трубчатую пружину.

Термометр типа ТПГ имеет круглый  корпус диаметром 160 мм, а термометр  типа ТГС – прямоугольный с габаритами 280х340x126 мм. Приборы предназначены для выступающего и утопленного монтажа. Самопишущий прибор выпускается одно- и двухточечным. В последнем случае запись показаний производится на общей диаграмме разноцветными чернилами.

На рис. 5 дана схема и общий вид одноточечного самопишущего манометрического термометра типа ТГС

Рис. 5 – Самопишущий  манометрический термометр типа ТГС

Термобаллон 1 посредством капилляра 2 соединен с неподвижным концом спиральной трубчатой пружины 3, закрепленным на кронштейне 4. Подвижный запаянный конец пружины связан компенсатором 5 и тягой 6 с рычагом 7, сидящим на оси 8. На этой же оси закреплены уравновешивающий рычаг 9 с противовесами и рычаг 10 с пером. Прибор снабжен корректором нуля 11. Запись показаний производится на диаграммном диске 12, закрепляемом на оси 13, вращаемой с частотой 1 об/сут синхронным микродвигателем или часовым механизмом.

Газовые термометры типов ТПГ и  ТГС изготовляются с длиной капилляра 1,6 – 40 м. Длина термобаллона их зависит от длины капилляра и составляет 125 – 500 мм. Диаметр термобаллона равен 20 и длина погружаемой части 160 – 630 мм. Для установки при рабочем давлении среды до 6,4 Мпа термобаллон снабжен штуцером с резьбой и сальником. При более высоком давлении термобаллон устанавливается в защитной гильзе. Соединительный капилляр заключен в гибкую защитную оболочку из оцинкованной проволоки.

Газовые термометры выпускаются с  конечным значением шкалы 50 – 600 °С. Класс точности приборов 1 и 1,5.

Перечень газовых манометрических  термометров типов ТПГ и ТСГ  приведен в табл. 2-6.

Таблица 3 – газовые манометрические термометры

Показывающий термометр типа ТПГ-СК с электроконтактным устройством  служит для измерения и сигнализации значений температуры до 50 – 400° С. Прибор имеет круглый корпус диаметром 160 мм и соединительный капилляр длиной 1,6 – 25 м. Длина погружения термобаллона, рассчитанного на давление измеряемой среды 6,4 Мпа, составляет 160 – 630 и диаметр 20 мм. Класс точности термометра 2,5. Сигнализирующее устройство прибора состоит из двух изолированных друг от друга и от указательной стрелки предельных контактов, устанавливаемых от руки на любые деления шкалы прибора. Разрывная мощность контактов при напряжении 220 В не более 10 В • А.

 

3.2 Жидкостные и конденсационные манометрические термометры

Жидкостные манометрические термометры заполняются органическими полиметилси - локеановыми жидкостями. Изменение давления при нагревании этих жидкостей в замкнутой термосистеме находится в прямой зависимости от температуры и выражается равенством (2-10).

Температурная погрешность у жидкостных термометров несколько больше, чем  у газовых, поэтому длина капилляра у них не превышает 10 м.

Для уменьшения барометрической погрешности  термометры заполняются жидкостью при начальном давлении 1,5-2 Мпа.

Гидростатическая погрешность  жидкостных термометров, возникающая в связи с тем, что давление, передаваемое термобаллоном пружине, будет больше на величину столба жидкости, заключенной в капилляре при расположении термобаллона выше пружины, и меньше на ту же величину при обратном расположении, может быть устранена путем изменения корректором нуля начального положения конца трубчатой пружины (указательной стрелки) после установки прибора или определена из выражения

                                      (6)

где ∆р – давление столба жидкости в капилляре, Мпа;

h – высота столба жидкости в капилляре, м;

ρ – плотность жидкости, кг/м3;

g – местное ускорение свободного падения тел, м/с2 1 (1 Ускорение свободного падения тел (земное притяжение) зависит от географической широты и высоты места над уровнем моря. Нормальное ускорение gн = 9,81 м/с2 (точнее, 9,80665 м/с2) соответствует земному притяжению на широте 45° и на уровне моря.)

Изготовляются жидкостные манометрические  термометры – показывающий типа ТПЖ4 и самопишущие типов ТЖС-711, ТЖС-712, ТЖ2С-711 и ТЖ2С-712. Приборы имеют те же характеристики (табл. 2-6), а также класс точности и габариты, что и соответствующие газовые термометры. Конечное значение шкалы термометров 50 – 300 °С, длина капилляра 1,6 – 10 м, диаметр термобаллона 12 и длина погружения 80 – 400 мм.

Конденсационные манометрические  термометры имеют в качестве рабочего вещества низкокипящие органические жидкости (хлористый метил, ацетон и фреон). Действие этих приборов основано на законе Дальтона, дающем однозначную зависимость между давлением и температурой насыщенного пара вплоть до критической температуры вещества.