Температурные шкалы

Температурной шкалой называют конкретную функциональную числовую связь температуры со значениями измеряемого термометрического свойства. В этой связи представляется возможным построить температурную шкалу на основе выбора любого термометрического свойства вещества.

Необходимо отметить, что нет ни одного термометрического свойства, которое линейно изменяется с изменением температуры в широком интервале.

Первые шкалы появились в XVIII веке. Для их построения были выбраны 2 опорные точки (t₁; t₂), представляющие собой температуры фазового перехода чистых веществ.

Разницу температур t₁-t₂ называют температурным интервалом.

Фаренгейт, Реомюр, Цельсий в XVIII веке построили температурные шкалы основываясь на допущении линейной связи между температурой и объемом.

Эту связь можно выразить линейным регрессивным уравнением типа:

t=a+bV, где ab- постоянные коэффициенты. При t₁: t₁=a+bV₁ , при t₂: t₂=a+bV₂.

Получаем уравнения: t-t₁=b(V-V₁); t₂-t₁=b(V₂-V₁), отношение уравнений:

=; t-t₁=(V-V₁);

; t=t₁+(V-V₁)

В температурных щкалах Фаренгейта, Реомюра, Цельсия точки плавления льда соответствовали данным значениям: +32; 0; 0.

Точка кипения воды: 212; 80; 100. Основной интервал в этих шкалах делится соответственно на 180; 80; 100 равных частей, 1/180; 1/80; 1/100.

Таким образом для шкал построенных по указанному принципу градус не является единицей измерения, а представляет собой масштаб шкалы. Для пересчета температур из одной шкалы в другую пользуются соотношением:

t=5/4*R; t=5/9(F-32)

Позднее было выяснено, что показания термометров имеющих разные термометрические вещества и использующие одно и тоже термометрическое свойство только в реперных точках, а в других точках показатели расходятся.

Указанное обстоятельство объясняется тем, что связь между температурой и термометрическим свойством не линейна.

Проблема создания температурной шкалы не зависящей от термометрических свойств вещества была решена в 1848 году Кельвином на основе 2-го закона термодинамики, такую температурную шкалу называют абсолютной.

Второй закон термодинамики: КПД тепловой машины работающей по обратимому циклу Карно, определяющегося температурой нагревателя и холодильником, и не зависит от свойства рабочего вещества т.е.

η= =;

где Qн и Qх соответственно количество теплоты полученное рабочим веществом и отданное холодильником.

Кельвином было предложено для измерения использовать равенство: =

Следовательно используя один объект в качестве нагревателя, а другой в качестве холодильника и проводя между ними циклы Карно можно определить отношение температур объектов измеряя отношение количества теплоты взятой от одного объекта и отданной другому.

Полученная таким образом шкала температур не зависит от термометрического свойства вещества и называется абсолютной шкалой температур. Для любой температуры Т_нагр при неизменном значении температур холодильника и количества теплоты отдаваемое рабочим ему веществом машина Карно будет иметь вид: T= }термодинамическая шкала Кельвина.

Эта формула является выражением 100 градусной термодинамической температурной шкалы и показывает, что значение температуры по данной шкале линейно связано с количеством теплоты Q.

Классификация средств измерения температуры

В различных областях науки и техники применяется множество принципов и средств измерения температуры. Средства измерения температуры можно классифицировать в зависимости от используемого устройства.

Средства измерения температуры:

Термометрические свойства	Наименование прибора	Диапазон измерения (градус.)
Изменение давления рабочего вещества	Манометрические термометры: 1) Жидкостные 2) Газовые 3) Конденсатные	-150-600 -150-600 -5-350
Термоэлектрический эффект, термоЭДС	Термоэлектрические преобразователи	200-2200
Изменение электрического сопротивления	Металлические термопреобразователи	-260-1100
Полупроводниковые	-240-300
Тепловые излучатели, пирометры	Квазиманометрические термометры, спектрального отношения.	1400-2800 50-3500

Манометрические термометры, принцип действия.

Принцип действия манометрических термометров основан на зависимости давления рабочего вещества в замкнутом объёме от температуры. В соответствии с агрегатным состоянием рабочего вещества в термосистеме манометрические термометры делятся на 3 группы:

1) Жидкостные (ртуть до 64 Мпа, силикон и др. жидкости)

2) Газовые (гелий, азот)

3) Конденсационные, парожидкостные.

Манометрические термометры могут быть использованы для измерения температуры от -150 до 600 гр., диапазон измерения определяется накопителем термосистемы. Термометры со специальным накопителем пригодны для измерения температур от 100-1000 гр.

Термосистема манометрического термометра состоит из баллона, капиляра, манометрической пружины. Чувствительны элемент термобаллон погружается в измеряемое вещество. Принцип работы манометрического термометра основан на измерении давления в замкнутом пространстве в зависимости от температуры: P_t=P₀ (1+β∆t)

Термобаллон- цилиндр изготовленный из латуни, стали и стойких к химическому воздействию веществ.

Геометрические размеры термобаллона зависят от решаемых задач и колеблются в пределах от 500-600 мм. В зависимости от конструкции измерительной системы манометрические термометры бывают саморегулирующиеся, шкальные, со встроенным датчиком и др.

Термоэлектрические термометры

Изменение температуры термоэлектрическим прибором основано на термоэлектрическом эффекте открытым Зеебеком, который гласит: В замкнутой цепи состоящей из 2-х и более разнородных проводников возникает электрический ток, если хотя бы два места соединения проводников имеет разную температуру.

Термоэлектрический преобразователь представляет собой цепь состоящую из 2-х или нескольких соединенных между собой разнородных проводников. Цепь состоит из двух проводников A и B (термоэлектроды), места соединений электродов называют спаями, согласно эффекту Зеебека общий ЭДС в такой цепи при t>t_0, E_AB(tt₀)=L_AB(t)+L_BA(t₀)

Вольта установил, что если температура спаев равна между собой, то результирующий ЭДС так же будет равен нулю: t=t₀, то E_AB(tt₀)=0, отсюда следует E_AB(t₀)= -L_AB(t₀); E_AB(tt₀)±L_AB(t)-L_AB(t₀)

Из уравнения видно, что возникшая в контуре термоЭДС зависит от разности температур между спаями и является ф-й температуры

Для измерения температуры в широком диапазоне применяются цепи изготовленные из хромель-купели, предел измерения которого -50- +600.

Термопреобразователи сопротивления

Измерение температуры основано на свойстве металлов и полупроводников изменять своё сопротивление в зависимости от температуры, если известна функция: R_(t)=f_(t), то измерив R можно найти температуру.

Термопреобразователи изготавливают из меди, платины и проводов разной толщины. Для измерения температуры та же применяются полупроводниковые термоперобразователи, положительной чертой которых являются малые габариты, которые удобны в эксплуатации.

Диапазон измерения полупроводниковых термометров колеблется от -100 до +300 градусов. В качестве материалов для них используют оксиды Mg, Co, Mn и кристаллы Германия. Недостаток это нелинейность характеристик и невоспроизводимость колибровочных характеристик.

Пирометры излучения

Все физические тела с температурой выше абсолютного нуля испускают тепловые лучи. Средства измерения температуры тел по их тепловому излучению называют пирометрами. В них используют лучи видимого и инфракрасного диапазона, применяют для измерения температуры от 6000 градусов и выше.

ОПТИЧЕСКИЙ ПИРОМЕТР С ИСЧЕЗАЮЩЕЙ НИТЬЮ

Принцип действия оптического пирометра с исчезающей нитью основан на сравнении монохроматической яркости излучения накаленного тела с монохроматической яркостью излучения нити специальной пирометрической лампы накаливания. Принципиальная схема оптического пирометра типа ОППИР-017 приведена на рис.1а.

Рис.1

Оптическая система пирометра представляет собой телескоп с объективом (1) и окуляром (4). Перед окуляром помещен красный светофильтр (3). Спектральная характеристика пропускания светофильтра подбирается с учетом спектральной чувствительности глаза так, чтобы при рассматривании объекта через светофильтр наибольшая видимая яркость соответствовала бы длине волны около 0,65 мкм. В фокусе объектива находится вольфрамовая нить пирометрической лампочки (5). Нить лампочки питается от аккумулятора; ее накал можно регулировать вручную реостатом (6). В поле зрения телескопа наблюдатель видит участок излучающей поверхности накаленного тела (объекта измерения) и на этом фоне – нить лампочки (рис.1б). Если яркости нити и накаленного тела неодинаковы, нить будет видна более темной или более светлой, чем фон. Регулируя накал нити реостатом, наблюдатель добивается равенства яркостей, при этом изображение нити сольется с фоном и станет неразличимо (нить "исчезнет"). В этот момент яркостная температура нити равна яркостной температуре объекта измерения. Глаз весьма чувствителен к различению яркостей и момент "исчезновения" нити улавливается с достаточной уверенностью. Показывающий прибор (8), включенный в цепь нити накаливания, градуируется по образцовому пирометру или по температурным лампам, в °С яркостной температуры.

Как указывалось выше, если объект измерения по своей излучающей способности близок к абсолютно черному телу, то показываемая пирометром яркостная температура равна истинной температуре объекта. Однако излучающая способность реальных физических тел не достигает излучающей способности абсолютно черного тела. Поэтому при одинаковой яркости излучения, т.е. при одинаковой яркостной температуре, истинная температура Т реального физического тела будет выше яркостной температуры ТS, показываемой оптическим пирометром. Соотношение истинной и яркостной температур определяется выражением

(1)

где, Т и ТS - истинная и яркостная температуры в градусах абсолютной шкалы;

- длина волны света, в котором измеряется яркостная температура (для оптических пирометров обычно = 0,65 мкм);

с2 - 1,438 см/град. – постоянная;

- коэффициент излучательной способности (коэффициент черноты) реального тела для длины волны.

Измерение и контроль давления

Давление, это сила действующая перпендикулярно поверхности к площади этой поверхности.

Давление,- одна из величин определяющая термодинамическое состояние вещества, многие технологические процессы и режимы функционирования аппаратов зависят от давления. С задачей измерения давления приходится сталкиваться при измерении расхода газа, пара, жидкости. Различают следующие виды давления:

1) Абсолютное, это давление отсчитанное от абсолютного нуля. За абсолютны ноль принимают давление внутри сосуда из которого полностью выкачан воздух.

2) Атмосферное (барометрическое), это давление создаваемое воздушным столбом Земной атмосферы.

3) Избыточное давление, это разность между абсолютным и атмосферным давлением.

4) Вакумное давление, это разность между барометрическим и абсолютным давлением.

В СИ за единицу измерения давления принимают Паскаль-это давление создаваемое силой в 1Н/м^2. До сих пор в технологических измерениях применяются внесистемные единицы такие как 1 мм ртутного столба, 1 мм водного столба, 1 бар и т.д. Эти единицы связаны со следующими соотношениями: 1 кг/см²=98066,5 Па, 1 мм вод.ст.=9,8 Па, 1 мм рт.ст.=133,322 Па, 1 бар = 10⁵ Па.

Средства измерения давления классифицируются по виду измеряемого давления на:

a) Манометры избыточного давления.

b) Манометры абсолютного давлении.

c) Барометры.

d) Вакуметры.

e) Мановакуметры.

По принципу действия средства измерения давления делятся на:

a) Жидкостные

b) Поршневые

c) Деформационные

d) Ионизационные

e) Тепловые

f) Электрические.

В настоящее время существуют средства измерения давления в диапазоне от 10^-12 до 10¹¹ МПа.

Жидкостные средства измерения с гидростатическим уравновешиванием В жидкостных приборах с гидростатическим уравновешиванием мерой измеряемого давления является высота столба рабочей жидкости. В качестве рабочей жидкости, называемо затворной или манометрической, применяются дистиллированная вода, ртуть, этиловый спирт, трансформаторное масло. К жидкостным манометрам относятся поплавковые и колокольные дифманометры. Поплавковый дифманометр

Принцип действия поплавковых дифманометров поясняется схемой, приведенной на рисунке а. Два сообщающихся сосуда заливаются какой-либо уравновешивающей жидкостью — водой, маслом или ртутью. В сосуде, к которому подводится большее давление (плюсовый сосуд), размещен поплавок, связанный шарнирно-рычажной передачей с показывающим устройством прибора. Сосуд, к которому подводится меньшее давление, называется минусовым сосудом. Под действием разности давлений затворная жидкость перетекает из плюсового сосуда в минусовый, и по положению уровня, а следовательно, и поплавка можно судить о величине измеряемой разности давлений.

Предел измерения поплавкового дифманометра может меняться с изменением соотношени площадей. Заводы-изготовители обычно выпускают дифманометры, у которых плюсовый сосуд изготавливается как неизменный конструктивный узел, а минусовые сосуды — сменные.

Поскольку расход и перепад давления не имеют линейной зависимости, положение поплавка изменяется с изменением расхода также нелинейно.

В процессе измерения жидкость из большого сосуда перемещается в малый, а вместе с ней перемещается поплавок соединенный со стрелкой. Перемещение продолжается до тех пор пока не установится равновесие между Р₁ и Р₂ т.е. Р₁-Р_{2 =}g(ρ_ж-ρ_ср)(h₁+h₂).

Учитывая равенство объемов жидкости вытесненного из левого сосуда в правый можно записать:

Fh₂=fh₁; h₁= h₂ полученное значение подставим в первое уравнение, получим:

Р₁-Р_{2 =}g(ρ_ж-ρ_ср)(h₂ - h₂ )

Отсюда: h_{2 =}

Из формулы видно, что для измерения разного значения давления т.е. в различных диапазонах, необходимо изменять значение.

В комплекте поплавковых дифманометров имеется несколько сменных сосудов, замена которых позволяет измерять диапазон измерения. Класс точности таких приборов составляет 11,5, предел измеряемого давления 25 Мпа.

Электрические средства измерения давления.

Емкостные преобразователи.

Принцип действия- изменение ёмкости конденсатора в зависимости от величины измеряемого давления. Зависимость между емкостью конденсатора и перемещением электрода выражается формулой: C=, где E- диэлектрическая проницаемость среды, δ₀- расстояние между электородом при P=0.

Пьезоэлектрические преобразователи.

Принцип действия пьезоэлектрических преобразователей основан на пьезоэлектрическом эффекте, заключающимся в том, что при воздействии силой N на поверхность некоторого материала возникает электрический заряд, величина этих зарядов связана с величиной приложенной силы, а сила связанна с измеряемым давлением: Q=KN.

Измерение и контроль уровня жидких и твердых

веществ.

Уровнем называют высоту заполнения технологического аппарат жидкостью или твердым веществом.

Уровень- технологический параметр, информация о котором необходима при контроле технологического режима работа аппарата. Уровень является необходимым параметром при создании автоматизированной системы управления технологическими процессами (АСУТП).

Путем измерения уровня можно получить информацию о массе жидкости в аппарате, о расходе при операциях закачки и перекачки.

Уровень измеряют в единицах длины. Средства измерения уровня называют уровнемерами.

Уровнемеры можно классифицировать на следующие виды:

a) Визуальные уровнемеры, к таким относятся мерные линейки, рейки, рулетки и уровнемерные стекла.

В производственной практике широко используются уровнемерные стекла. Измерение основано на принципе сообщающихся сосудов. Указательное стекло соединяют с емкостью обоими концами, наблюдая за положением жидкости в стеклянной трубке судят об уровне.

Длина мерных стекол составляет 0,5 метров, поэтому для измерения уровня в резервуаре имеющем высоту более чем 0,5 метра применяют несколько стеклянных уровнемеров. Их с технологическим аппаратом соединяют таким образом, чтобы шкалы этих уровнемеров перекрывали друг друга. Недостатки таких уровнемеров это хрупкость, подается воздействию внешних факторов. Абсолютная погрешность 1-20 мм. Стеклянные уровнемеры применяют при давлении до 2,94 МПа, и температуре до 300 градусов по Цельсию.

b) Поплавковые уровнемеры. Среди существующих уровнемеров поплавковые являются наиболее распространенным прибором, они отличаются простотой конструкции. Чувствительным элементом в этих уровнемерах является поплавок, плавающий на поверхности жидкости.

Существуют различные конструкции этих уровнемеров, наиболее широко применяются уровнемеры марки УДУ, эти уровнемеры в основном применяются для измерения уровня нефтепродуктов, диапазон измерения до 20 м. К поплавковым уровнемерам относятся так же буйковые. Принцип их действия основан на законе Архимеда. Чувствительным элементом является буёк изготовленный из материала с плотностью большей чем плотность измеряемой жидкости.

Буйковый уровнемер

Стальной цилиндрический буек 8 подвешен на конце рычага 7, который связан с торсионной трубкой 6. Под действием буйка и упругой трубки прикладывается деформированный момент при этом масса буйка выбирается так, чтобы он не всплывал при полном его погружении в жидкость.

С повышением уровня жидкости увеличивается его масса, что вызывает пропорциональное уменьшение угла закручивания упругой трубки 6. И стального стержня 5 закрепленной внутри трубки. На противоположном конце стержня 5 установлена заслонка 4, которая отклонена относительна сопла 3 на тот же угол. Пневмоустройство 2 усиливает малое угловое перемещение заслонки относительно сопла пропорционально изменения давления сжатого воздуха контролируемого манометра 1, шкала которого проградуирована в уровень. Уравновешивание системы: M₁+M₂-M₃=0; M₁=σl₁; M₃=Rl₂; R=l_эфР;

Схема буйкового пневматического уровнемера приведена на ри.3, Уровнемер работает следующим образом Когда уровень жидкости становится больше h₀, часть буйка погружается в жидкость. Поэтому вес буйка уменьшается, а следовательно уменьшается и момент М₁, создаваемый буйком на рычаге 2

так как М₂ становятся больше М₁, рычаг 2 поворачивается вокруг точки О по часовой стрелке и прикрывает заслонкой 7 сопла 8. Поэтому давление на линии сопла увеличивается. Это давление поступает в пневматический усилитель 10, выходной сигнал которого является выходным сигналом уровнемера. Этот же сигнал одновременно посылается в сильфон отрицатель ной обратной связи 5. При дейстии давления р _вых возникает сила R,

момент М₃ которой совпадает по направлению с моментом М₁, т.е, действие

силы направлено на восстановление равновесия рычага 2. Движение верительной системы преобразователя происходит до тех пор,пока сумма моментов всех сил, действующих на рычаг 2, не станет равной 0 т.е.

М₁+М₃-М₂= 0

Представляя моменты М₁,М₂,М₃ в виде произведений получим

GL₁+RL₃=NL₂

где: G -вес буйка при погружении его в жидкость на глубину h; R-сила сильфона; N-вес противовеса.

σ=π/D²ρ_бgH – вес буйка при отсутствии жидкости.

σ=(π/D²ρ_бgH-π/D²ρ_жgh)l – вес буйка при заполнении ёмкости жидкостью.

Тогда π/D²ρ_бgHl₁=Nl_3.

π/D²ρ_жgHl₁+f_эфPl₂=0

P=π/D²* ρ_жgl₁/f_эф*h₁

P=Khl₃

Буйковые средства измерения уровня применяются при температуре рабочей среды от -40 до 400 гр.по C, и при давлении до 16 МПа, класс точности прибора 1,5.

Гидростатические уровнемеры

Принцип действие гидростатических уровнемеров основано на уравновешивании давления столба жидкости Р1 в технологическим аппарате с давлением столба жидкости, заполняющей измерит, прибор Р2. При достаточно больших значениях уровня и в отсутствие избыточного давления над жидкостью в качестве уровнемера можно применять манометр с трубчатой пружиной, устанавливаемый на отметке так называемого нулевого уровня рис 3.

Дифманометрические

Уровнемеры позволяют измерять уровень в открытых (атм. давление) или закрытых (давление либо разрежение) резервуарах (рис. 4). Относительно постоянный уровень жидкости в одном из колен измерит, прибора (дифманометра), а следовательно, и в контролируемом аппарате обеспечивается уравнительным сосудом (наполнен до определенного уровня той же жидкостью, что и в аппарате). Высота столба жидкости в другом колене дифманометра изменяется с изменением уровня в аппарате. Каждому значению уровня в нем отвечает некоторый перепад давления, обусловленный расстоянием по высоте между аппаратом и прибором. Если аппарат работает при атмосферном давлении, уравнительный сосуд размещают на отметке нулевого уровня (рис. а), если под давлением - на высоте максимального уровня (рис. б).

Дата добавления: 2014-01-04