2-3. МАНОМЕТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ
Действие манометрических термометров основано на зависимости давления жидкости, газа или пара с жидкостью в замкнутом объеме (термосистеме) от температуры. Указанные термометры являются промышленными показывающими и самопишущими приборами, предназначенными для измерения температуры в диапазоне до 600 °С. Класс точности их 1-2,5 1 (1 ГОСТ 8624-71 Термометры манометрические ГСП.)
В зависимости от заключенного в термосистеме рабочего вещества манометрические термометры разделяются на газовые, жидкостные и конденсационные. Выбор рабочего вещества производится исходя из заданного диапазона показаний и условий измерения.
а) Основные сведения о манометрических термометрах
Схема показывающего манометрического термометра приведена на рис. 2-8.
Термосистема прибора, заполненная рабочим веществом, состоит из термобаллона 1, погружаемого в измеряемую среду, манометрической трубчатой пружины 2, воздействующей посредством тяги 3 на указательную стрелку 4, и капилляра 5, соединяющего пружину с термобаллоном.
Термобаллон представляет собой металлическую трубку, закрытую с одного конца, а с другого соединенную с капилляром. Посредством съемного штуцера 6 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.
Соединительный капилляр изготовляется из медной или стальной трубки с внутренним диаметром до 0,5 и толщиной стенки до 2,5 мм. Снаружи он защищен металлической оплеткой. Длина капилляра может достигать 40 м.
В качестве упругого элемента в термометрах применяются одно- и многовитковая трубчатые пружины (рис. 2-9), 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.
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.
б) 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.
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:
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 мапометрические термометры часто выполняются с температурной компенсацией. Для этого меяеду 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. 2-10 даны схема и общий вид одноточечного самопишущего манометрического термометра 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.
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.
в) 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
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.
Термобаллон конденсационных термометров на 2/3 залит рабочей жидкостью, над которой находится образующийся из нее насыщенный пар. Капилляр и пружина термометра заполнены той же жидкостью, что и термобаллон. Для обеспечения постоянного заполнения капилляра жидкостью конец его опускается до дна термобаллона.
На показания конденсационного термометра не влияет изменение температуры окружающего воздуха, так как давление в системе зависит только от давления пара в термобаллоне, т. е. от измеряемой температуры.
Гидростатическая и барометрическая погрешности заметно отражаются на показаниях конденсационных термометров, особенно в области низких температур, когда давление пара в системе сравнительно невелико. Гидростатическая погрешность приборов определяется по формуле (2-12).
Конденсационные термометры имеют узкий диапазон показаний и неравномерную шкалу, сжатую вначале вследствие нелинейной зависимости между давлением насыщенного пара и его температурой.
Для измерения и сигнализации температуры изготовляются конденсационные показывающие и сигнализирующие термометры типов ТПП4-П1 и ТПП-СК. Приборы предназначены для измерения и сигнализации температуры в диапазоне до 300 °С. Класс точности первого из них 1,5 и второго 2,5. Длина капилляра термометров 1,6 -16 м, диаметр термобаллона 16 и длина погружения 125 - 250 мм. Термометры имеют круглый корпус диаметром 160 мм, приспособленный для выступающего и утопленного монтажа.
г) Установка и поверка манометрических термометров
При установке манометрических термометров в трубопроводах термобаллон помещается в середину потока. Термобаллон газовых и жидкостных термометров может занимать любое положение, а конденсационных - вертикальное (капилляром вверх) или слегка наклонное. При измерении температуры среды, находящейся под большим давлением, термобаллон устанавливается в защитной гильзе с заполнителем.
Корпус прибора располагается в месте, свободном от вибрации, и защищается от радиации нагретых тел. При прокладке капилляра предусматривается защита его от механических повреждений. Крепление капилляра к опорным поверхностям производится при помощи крючков или скоб, без резких перегибов. Температура окружающей капилляр и пружину среды не должна превышать 60 °С.
Манометрические термометры поверяются на рабочем месте или в лаборатории х. Поверка приборов в лаборатории 1(1 Инструкция 162-62 Госстандарта СССР по проверке манометрических термометров.) производится в термостатах с электрообогревом, а на рабочем месте - при помощи сосудов с нагретой и холодной жидкостью (водой или маслом), смешиваемой до получения нужных температур. Для поверки в диапазоне тем" ператур 0 - 300 °С применяется образцовый ртутный термометр 2-го разряда, в диапазоне 300 - 600 °С - образцовый термометр сопротивления. Количество поверяемых отметок выбирается не менее трех - в начале, середине и конце шкалы.