Приборы для измерения температуры в котельной

Алгоритм измерения температуры тела

Измерить температуру любого тела (не путать с телом человека) так, как измеряют многие физические величины (дли­на, масса, объем) невозможно, так как в природе не существует эталона или образца единицы этой величины. Поэтому определение температуры вещества сводится к сравнению путем наблюдения за изменением физических свойств другого, так называемого термометрического вещества, которое при соприкосновении с нагретым телом вступает с ним через некоторое время в тепловое равновесие.

Метод измерения температуры тела не дает абсолютного значения температуры нагретой среды, а указывает лишь разность температур относительно исходной температуры термометрического вещества, условно принятой за нуль.

В процессе нагревания изменяется как внутренняя энергия вещества, так и практически все его физические свойства. Для измерения температуры выбираются только те свойства, которые однозначно меняются с изменением температуры, не подвержены влиянию других факторов и сравнительно легко поддаются точному измерению. Под эти требования наиболее точно подпадают следующие свойства рабочих веществ:

• Объемное расширение.
• Изменение давления в замкнутом объеме.
• Изменение электрического сопротивления.
• Возникновение термоэлектродвижущей силы и интенсивность излучения.

Все эти свой­ства положены в основу устройства при­боров для измерения температуры.

Термометр расширения для измерения температуры

Принцип работы термометра расширения основана на свойстве тел изменять объем и линейные размеры в результате изменения температуры. В жидкостных стеклянных термометрах в качестве рабочего вещества используется ртуть и органические жидкости (этиловый спирт, толуол, пентан).

Термометры с органическими заполнителями подходят для измерения температуры тел в пределах от -190°C до +100°С. Если же рассмотреть ртуть, то при нормальном абсолютном давлении она находится в жидком состоянии при температурах от -39°C (точка замерзания) до +357°C (точка кипения). Верхний предел измерения ртутных термометров (до 500 °С и выше) достигается при помощи искусственного повышения точки кипения ртути. Для этого пространство капилляра над рту­тью заполняется инертным газом (азотом) при давлении свыше 2 МПа.

Типы ртутных термометров и варианты установки в защитной гильзе:

Типы:
а — технический с вложенной шкалой.
б — лабораторный палочный с безнулевой шкалой.
1 — пробка, залитая гипсом.
2 — наружная цилиндрическая оболочка.
3 — шкала, выполненная из стеклянной пластинки молочно­го цвета. Шкала лабораторного палочного термометра нанесена непосредствен­но на наружной поверхности капилляра в виде насечки по стеклу.
4 — капилляр.
5 — нижняя часть термометра.
6 — резервуар, заполненный ртутью. Резервуар лабораторного палочного термометра соединен с толстостенным капилляром, имеющим наружный диаметр 6 — 8 мм.
7, 8 — расширения капилляра.
9 — дополнительная шкала.
Варианты установки в защитной гильзе:
а — вдоль оси трубопровода.
б — наклонно к оси горизонтального трубопровода.
в — нормально к оси горизонтального трубопровода.
г — на вертикальном трубопроводе.
D — диаметр трубопровода.

Неправильная установка термометра может привести к изменению точности показаний на 10 — 15 %. Наиболее распространенным способом установки ртутных термометров является их вложение в предохраняющую от поломки защитную гильзу.

Манометрический термометр, устройство и принцип работы

Принцип работы манометрического термометра основан на изменении в зависимости от температуры давления жидкости (газа или пара) в замкнутом объеме. Газовые приборы заполняются азотом, жидкостные — ртутью, ксилолом, толуолом при начальном давлении 1,5 — 2 МПа. В парожидкостных манометрических термометрах рабочим веществом служат низкокипящие органические жидкости (хлористый метил, ацетон, бензол).

Являясь техническими (показывающими или самопишущими), данные приборы предназначены для измерения температуры в пределах от -150°C до +600°C с классом точности 1 — 2,5.

Схема манометрического термометра:

	1 — тяга.
	2 — трубчатая пружина.
	3 — капиллярная трубка.
	4 — штуцер с сальниковым уплотнением.
	5 — термобаллон.

Рассмотрим подробнее представленную схему. Замкнутая система манометрического термометра, заполненная рабочим веществом, состоит:

• Из термобаллона, погружаемого в измеряемую среду. Термобаллон из стальной или латунной трубки с одного конца закрыт, а с другого соединен с капилляром через объемный штуцер с сальниковым уплотнением и резьбой.
• Трубчатой (манометрической) пружины, воздействующей посредством тяги на стрелку прибора.
• Капиллярной труб­ки, соединяющей пружину с термобаллоном. Капилляр изготавливается из полой медной или стальной трубки с внутренним диаметром 0,2 — 0,4 мм и толщиной стенки 0,5 — 2 мм. Снаружи капилляр защищен металлической оплеткой. Длина капилляра может достигать 60 м.

Зная конструкцию манометрического термометра, можно более развернуто сформировать его принцип работы. При нагреве термобаллона увеличение в нем давления рабочего вещества передается через капилляр трубчатой пружине и вызывает ее перемещение.

Биметаллический термометр для измерения температуры

В биметаллическом термометре для измерения температуры используется принцип расширении и сжатии твердых тел. При нагреве латунь, находящаяся внутри спирали, расширяется сильнее меди снаружи. Это приводит к разворачиванию спирали и перемещению стрелки по шкале.

Данный тип термометров имеет также и ряд недостатков. Металлы, из которых изготавливаются биметаллические элементы, закаливаются при температурах свыше 1000°C в течение длительного времени. Такое закаливание понижает их чувствительность к изменениям температуры, и при повышении (понижении) температуры стрелка не будет двигаться пропорционально изменению температуры. Также биметаллический элемент с закаленным элементом может слабо реагировать на повышение температуры и сильно реагировать на понижение температуры.

Типы и принцип работы термометров биметаллических:

Спиральный биметаллический термометр
Биметаллические элементы термометров могут иметь форму спирали. Элемент, схематически показанный на рисунке должен раскручиваться при нагревании. Такое движение спирального элемента двигает стрелку в сторону более высоких показаний по шкале. При понижении температуры спираль стремится принять исходное положение и стрелка двигается в сторону более низких показаний. Спиральные элементы в отличие от стержневых занимают меньше места и обеспечивают больший ход стрелки.
Геликоид
В некоторых случаях измерение температуры технологической жидкости спиральными биметаллическими термометрами бывает затруднительным, так как требуется датчик достаточно большой длины, чтобы он соприкасался с жидкостью. Для таких измерений используются биметаллические термометры с удлиненным спиральным элементом (геликоидом). При нагревании такая спираль раскручивается и передвигает стрелку по шкале в сторону более высоких показаний.
Термометр с многоступенчатой спиралью
В конструкции некоторых биметаллических термометров использованы многоступенчатые пространственные спирали (состоят из двух или более концентрических витков). Многоступенчатая пространственная спираль раскручивается при увеличении температуры и скручивается при понижении температуры. Она занимает меньше места чем обычная спираль, и при этом способна обеспечить больший ход стрелки.

Благодаря своей прочности и способности противостоять температурам за пределами диапазона измерений такие приборы становятся наиболее приемлемыми для промышленного применения (системы кондиционирования, теплоснабжения, водоснабжения).

При измерении температуры агрессивных сред рекомендуется комплектовать термометр гильзой из нержавеющей стали.

Термометр сопротивления платиновый

Работа термометров сопротивления основана на изменении электрического сопротивления металлических проводников в зависимости от температуры. Зная зависимость сопротивления проводника от температуры и определяя это сопротивление при помощи электроизмерительного прибора, можно судить о величине температуры проводника. В качестве вторичных приборов, работающих с данным термометром, применяются уравновешенные и неуравновешенные измерительные мосты и логометры.

К достоинствам термометров сопротивления можно отнести:

• Высокую точность измерения.
• Легкость осуществления автоматической записи и дистанционной передачи показателей.
• Возможность присоединения к одному вторичному прибору при помощи переключателя нескольких термометров.

Технические термометры сопротивления бывают платиновые — ТСП и медные — ТСМ. Платиновые термометры наиболее распространены, и их часто устанавливают для контроля важных параметров.

Конструкция платинового термометра сопротивления (ТСП):

а — чувствительный элемент.
б — внутренняя арматура.
в — защитная арматура.
1 — выводы.
2 — накладки.
3 — серебряная лента.
4 — платиновая проволока.
5 — каркас из слюдяной пластинки.
6 — фарфоровые бусы.
7 — оболочка.
8 — вкладыш.
9 — головка.
10 — штуцер.
11 — защитный чехол.

Рассмотрев схематически устройство платинового термометра сопротивления, более детально опишем взаимодействие всех его составных частей:

• На каркасе из слюдяной пластинки (5), имеющей по бокам зубчатую насечку, намотана платиновая проволока (4) диаметром 0,07 мм и длиной около 2 м.
• К концам платиновой об­мотки припаяны два вывода (1) из серебряной проволоки диаметром 1 мм, присоединенные к латунным зажимам в головке термометра (9).
• Слюдяная пластинка с обмоткой изолирована с двух сторон более широкими слюдяными накладками (2) и связана с ними в общий пакет серебряной лентой (3). Образованный таким образом чувствительный элемент вставлен в плоский алюминиевый вкладыш и вместе с ним заключен в трубчатую оболочку (7) из алюминия.
• Серебряные выводы изолированы фарфоровыми бусами (6).
• Оболочка с чувствительным элементом помещена в стальной защитный чехол (11) с приваренным к нему штуцером (10). В верхней части защитного чехла закреплена алюминиевая головка (9), внутри которой находится бакелитовый вкладыш с двумя зажимами для присоединения внешних соединительных проводов.

Термометр сопротивления применяется в промышленности (для определения нагрева печей), в трубопроводах (для веществ, состояние которых зависит от температуры), в медицине и многих других отраслях. Диапазон измерения температур прибора варьирует от -260°C до +750°C.

Термоэлектрический пирометр

Термоэлектрические пирометры работают за счет возникновения термоэлектродвижущей силы (ТЭДС) при изменении температуры точки спая двух проводников из разнородных металлов.

Схема термоэлектрического пирометра:

	1, 2 — свободные (холодные) концы термопары.
	3 — рабочий конец термопары (горячий спай).
	А, В — термоэлектроды (термопара).
	С — соединительные провода.
	ЭП — вторичный электроизмерительный прибор, подключенный к термопаре.
	t0 — температура холодных концов термопары.
	t — темпе­ратура горячего спая.

Величина термоэлектродвижущей силы (ТЭДС), развиваемой термоэлектродами, зависит от их материала, а также от тем­пературы рабочего и свободных концов термопары.

Материалами для термопары служат чистые металлы и их сплавы, обладающие следующими свойствами:

• Они должны обеспечивать при измерениях большие ТЭДС.
• Должны иметь постоянство термоэлектрических свойств.
• Должны быть устойчивы к действию высоких температур, окисления.
• Должны иметь хорошую электропроводность.
• Должны иметь однозначную и линейную зависимость термоэлектродвижущей силы от температуры.

Пределы измерения температур термопарами:

Наименование термопары	Тип	Градуировка	Пределы измерения температуры при длительном измерении, °C
Платинородий-платиновая (10% родия)	ТПП	ПП-1	-20 — +1300
Платинородиевая (30% и 6% родия)	ТПР	ПР-30 ⁄ 6	+300 — +1600
Хромель-алюмелевая	ТХА	ХА	-50 — +1000
Хромель-копелевая	ТХК	ХК	-50 — +600

Наибольшее распространение для промышленных термопар получили такие материалы, как платина, платинородий, хромель, алюмель, копель.

Общий вид и конструкция термопары:

а, б — термоэлектроды, соединенные сваркой.
в — термоэлектроды, при­варенные к дну защитного чехла.
1 — крышка.
2 — сальник с уплотнением для вывода проводов.
3 — зажимы.
4 — колодка.
5 — защитный чехол.
6 — подвижной фланец.
7 — рабочий конец термо­пары.
8 — фарфоровый стаканчик.
9 — фарфоровые бусы.
10 — корпус головки.
11, 12 — винты.

Выделив схематически устройство термопары, более детально опишем взаимодействие всех ее составных частей:

• На стальной защитный чехол (5) насажен подвижный фланец (6) со стопорным винтом, служащим для закрепления прибора.
• Рабочий конец термопары (7) помещен в фарфоровый стаканчик (8). Рабочий конец образуется сваркой двух концов, а из толстых — их скруткой и сваркой. Для улучшения условий теплопередачи рабочий конец термопары из недрагоценных металлов приваривается ко дну защитного металлического чехла.
• Оба электрода от спая до зажимов тщательно изолируются одноканальными и двухканальными фарфоровыми трубками или бусами (9). Термоэлектроды из драгоценных металлов изготавливаются из проволоки диаметром 0,5 мм, а из недрагоценных металлов — 1,2 — 3,2 мм.
• Головка состоит из литого корпуса (10), крышки (1) и сальника (2) с уплотнением для вывода проводов.
• Внутри головки расположена ко­лодка (4) с двумя зажимами (3).
• На зажимах имеется две пары винтов (11,12) для закрепления термопроводов и соединительных проводов.

В качестве электроизмерительных приборов в термоэлектрических пирометрах применяются пирометрические милливольтметры и потенциометры.