2020-01-14
168
ТЕ – термопара ТХК-1489.
TI – милливольтметр Ш4500.
FE – диафрагма камерная ДКС 10-100.
FT – дифманометр ДМЭР-1000.
- вторичный прибор КСУ.
- манометр МЭД-22365.
- вторичный показывающий прибор КСД-2.
- манометр МЭД-22365
- вторичный показывающий прибор КСД-2.
Обоснование выбора приборов
Термопара ТХК-1489
Действие термоэлектрических термометров основано на свойстве металлов и сплавов создавать термоэлектродвижущую силу (термо-э. д. с), зависящую от температуры места соединения (спая) концов двух разнородных проводников (термоэлектродов), образующих чувствительный элемент термометра — термопару. Располагая законом изменения термо-э. д. с. термометра от температуры и определяя значение термо-э. д. с. электроизмерительным прибором, можно найти искомое значение температуры и месте измерения.
Термоэлектрический термометр, состоящий из двух спаянных и изолированных по длине термоэлектродов, защитного чехла и головки с зажимами для подключения соединительной линии, является первичным измерительным преобразователем.
В качестве вторичных приборов, работающих с термоэлектрическими электрическими термометрами, применяются магнитоэлектрические миллиамперметры и потенциометры.
Термоэлектрические термометры широко применяются в энергетических установках для измерения температуры перегретого пара, дымовых газов, металла труб котлоагрегатов и т. п.
Положительными свойствами их являются: большой диапазон измерения, высокая чувствительность, незначительная чувствительность, незначительная инерционность, отсутствие постороннего источника тока и лёгкость осуществления дистанционной передачи показаний.
Основные свойства термоэлектрических термометров. Явление термоэлектричества, открытое в XVIII в. и получившее широкое применение для измерения температуры и ряда других неэлектрических величин, заключается в том, что в замкнутом контуре, состоящем из двух разно родных проводников, непрерывно течет электрический ток, если места спаев проводников имеют различные температуры. Существующее представление о механизме образования термо-э. д. с. основывается на том, что концентрация в межмолекулярном пространстве проводника свободных электронов, находящихся в единице объема, зависит от материала проводника и его температуры.
При соединении одинаково нагретых концов двух проводников из разнородных материалов, из которых в первом количество свободных электронов в единице объема больше, чем во втором, последние будут диффундировать из первого проводника во второй в большем числе, чем обратно. Таким образом, первый проводник станет заряжаться положительно, а второй — отрицательно. Образующееся при этом в месте соединения (спае) проводников электрическое поле будет противодействовать этой диффузии, в результате чего наступит состояние подвижного равновесия, при котором между свободными концами указанных проводников появится некоторая разность потенциалов (термо-э. д. с). С увеличением температуры проводников значение этой термо-э. д. с. также увеличивается.
Кроме того, тсрмо-э. д. с. возникает и между концами однородного проводника, имеющими разные температуры. В этом случае до наступления состояния подвижного равновесия положительно заряжается более нагретый конец проводника как обладающий большей концентрацией свободных электронов по сравнению с концом, менее нагретым. Возрастание разности температур между концами проводника приводит к увеличению возникающей в нем термо-э. д. с.
В замкнутом контуре термоэлектрическою термометра, состоящем из разнородных термоэлектродов, одновременно действуют оба указанных выше фактора, вызывающие появление в спаях температур t и t0 и материала термоэлектродов двух суммарных термо-э. д. с., взятых при обходе контура против часовой стрелки. Отсюда действующая в контуре результирующая термо-э. д. с. равна алгебраической сумме термо-э. д. с. обоих спаев.
Следовательно, вырабатываемая термометром термо-э. д. с. равна разности двух действующих навстречу суммарных термо-э. д. с, появляющихся на концах термоэлектродов в спаях. При равенстве температур обоих спаев результирующая термо-э. д. с. равна нулю.
В зависимости от значении вырабатываемой термо-э. д.с.и общего сопротивлении контура в проводниках появляется электрический ток, сила которого определяется законом Ома.
Спай, погружаемый в измеряемую среду, называется рабочим концомтермоэлектрического термометра, а спай 2- свободным концом.
Термоэлектроды термометра обозначаются знаками + и -. Положительным термоэлектродом считается тот, по которому ток течет от рабочего конца к свободному.
Для измерения термо-э. д. с. к термоэлектрическому термометру посредством соединительных проводов подключается вторичный прибор, образующий с ним замкнутую цепь. Применяются два способа включения последнее и контур термометра: в свободный конец или в один из его термоэлектродов. Наибольшее распространение имеет первый из них.
Рассмотрим, как будет влиять на значение результирующей термо-э. д. с. включение в свободный конец термометра третьего разнородного (соединительного) проводникас вторичным прибором. В этом случае термометр будет иметь не один, а два свободных конца со спаями, находящимися при одинаковой температуре t0.
Если принять, что температуры всех трех спаев одинаковы и равны г0» то в замкнутой цепи результирующая термо-э. д. с. будет равна нулю.
Принципиально ничем не отличается от разобранного выше и включение третьего проводника со вторичным прибором и термоэлектрод термометра.
При включении прибора в термоэлектродвзамкнутой цепи появляются два новых, расположенных рядом спая.
Включение в контур термометра третьего разнородного проводника не влияет на развиваемую им термо-э. д. с, если места присоединения проводника имеют одинаковую температуру.
Термо-э. д. с. любого термоэлектрического термометра может быть определена, если известна термо-э. д. с,
развиваемая каждым из его термоэлектродов в паре с одним и тем же третьим разнородным термоэлектродом.
Для различных типов термоэлектрических термометров эта функция имеет сложный вид и определяется опытным путём.
Экспериментальная зависимость термо-э. д. с. от температуры рабочего конца при постоянной температуре свободных концовобычно равной О °С, называется градуировочной характеристикойтермоэлектрического термометра. Па основании ее составляются градуировочные таблицы и графики для практического пользования.
Значение развиваемой термо-э. д. с. зависит от материала термоэлектродов и температуры рабочего и свободных концов термометра. В качестве термоэлектродов преимущественно применяются те металлы и сплавы, которые, отвечая одновременно и ряду других требований, развивают сравнительно больший термо-э. д. с. При измерениях температуру свободных концом термометра с целью увеличения термо э. д. с. часто искусственно поддерживают на возможно более низком постоянном уровне.
Применение термометров с более высокими значениями термо-э. д. с. увеличивает надежность измерения температуры. Создаваемая термометрами термо-э. д. с. сравнительно невелика; она составляет не более 8 мВ на каждые 100 °С и при измерении высоких температур не превышает 70 мВ.
Термоэлектродные материалы.
В качестве термоэлектродных материалов для изготовления термометров применяются главным образом чистые металлы и их сплавы. Выбор материала для термоэлектродов имеет существенное значение. Наряду с требованием создания большой термо-э. д. с. термоэлектроды должны по возможности обладать:
-постоянством термоэлектрических свойств независимо от изменения со временем внутренней структуры (рекристаллизации) и загрязнения поверхности;
-устойчивостью против действия высоких температур, окисления и других вредных факторов;
-хорошей электропроводимостью и небольшим температурным коэффициентом электрического сопротивления:
-однозначной и по возможности линейной зависимостью термо-э. д. с. от температуры;
однородностью и постоянством состава для обеспечения -взаимозаменяемости термометров.
Состав термоэлектродов сильно влияет на значение развиваемой ими термо-э. д. с, поэтому воспроизводимость состава металла или сплава значительно упрощает и облегчает условия промышленной эксплуатации термоэлектрических термометров. В этом случае при замене однотипных термометров не требуется переградуировки шкалы вторичного прибора.
Для оценки значения термо-э. д. с. различных термометров обычно пользуются опытными значениями термо-э. д. с. металлов и сплавов в паре с чистой платиной. Выбор платины в качестве основного термоэлектрода вызывается тем, что она обладает постоянством термоэлектрических свойств, устойчива против действия высоких температур и окисления и сравнительно легко может быть получена в чистом виде.
Наибольшее распространение для изготовления термоэлектрических термометров получили материалы: платина, платинородий, хромель, алюмель и копель. Для измерений в лабораторных установках находят также применение медь, железо и константан.
Типы и характеристики термоэлектрических термометров.
Для получения сравнительно высоких значений термо-э. д. с. выбор термоэлектродов производится таким образом, чтобы в паре с платиной один из них создавал положительную, а другой отрицательную термо-э. д. с.
Термоэлектрические термометры, получившие практическое применение, разделяются по материалу термоэлектродов на две группы: из благородных и неблагородных металлов или сплавов. Термоэлектрические термометры типов ТПП, ТПР, ТХА и ТХК включены в государственный стандарт.
Ввиду надежного обеспечения однородности состава термоэлектродов термометром последние имеют постоянные градировочные характеристики.
Термометры типов ТПП и ТПР с термоэлектродами из благородных металлов и сплавов применяются главным образом для измерения температуры выше 1000 °С, так как они обладают большой термостойкостью.
Несмотря на относительно малые значения развиваемой термо-э. д. с. термометры типа ТПП благодаря исключительному постоянству термоэлектрических свойств и большому диапазону измерения получили широкое распространение главным образом как лабораторные, образцовые и эталонные. Последние используются для воспроизведении МПТШ-68 в диапазоне температур 630, 74—1064,43 °С и поверяются по платиновому термометру сопротивления и точкам затвердевания серебра и золота.
Термометры типов ТПП и ТПР хорошо противостоят окислительной среды, но быстро разрушаются под влиянием восстановительной атмосферы (водорода и окиси углерода), двуокиси углерода и паров металлов.
Поэтому термоэлектроды технических термометров этих типов тщательно изолируют от непосредственного соприкосновения окружающей средой.
Промышленные термометры типов ТХА и ТХК с термоэлектродами из неблагородных металлов и сплавов применяются для измерения температуры до 1000 °С. Термометры развивают большие термо-э. д. с, что является их достоинством. Так, например, при одних и тех же температурах рабочего и свободных концов термометр типа ТХК дает в среднем в 8 раз большую термо-э. д. с, чем термометр типа ТПП.
Большое распространение получили термометры типа ТХА, которые по сравнению с остальными термометрами из неблагородных металлов являются наиболее стойкими в окислительной среде, но также подвержены влиянию восстановительной атмосферы.
Термометры типа ТХК развивают наибольшую термо-э. д. с. и достаточно устойчивы против воздействия окружающей среды.
Допускаемое отклонение термо-э. д. с. термометров типа ТХА и ТХК от градуировочных значений составляет до температуры 300 °С соответственно ±0,16 и ±0,2 мВ.
Термоэлектроды из благородных металлов изготовляются обычно из проволоки диаметром 0,5 мм, а из неблагородных — диаметром 1,2—3,2 мм. Диаметр термоэлектродов определяется назначением термометра (технический, лабораторный и др.), диапазоном измеряемых температур, а также необходимой прочностью.
Рабочий конец термометров в большинстве случаев образуется скруткой и сваркой концов термоэлектродов в пламени электрической дуги или гремучего газа. Иногда применяется также спайка концов термоэлектродов серебряным припоем.
Длина термоэлектродов выбирается в зависимости от условий установки термометра, в частности от глубины погружения его в измеряемую среду.
Устройство термоэлектрических термометров
Для изоляции термоэлектродов и защиты их от вредного воздействия окружающей среды, а также для обеспечения прочности термометра и удобства его установки он имеет специальную арматуру, состоящую из электроизоляции, защитного чехла и головки с зажимами для присоединения внешних проводов.
Термоэлектроды термометра от спая до зажимов тщательно изолируются. В качестве изоляции применяются одно- или двухканальные трубки или бусы — из фарфора (до температуры 1300 °С) и окислов алюминия, магния пли бериллия (свыше 1300 °С), надеваемые на термоэлектроды.
Защитный чехол термометра представляет закрытую с одного конца трубку, предохраняющую термоэлектроды от воздействия внешней среды. Он должен обладать устойчивостью против действия высокой температуры и резких ее колебаний, быть механически прочным и газонепроницаемым, а также не выделять при нагревании вредных для термоэлектродов газов и паров.
Термометры из благородных металлов имеют защитные чехлы из алунда, состоящего из смеси окислов алюминия (99%) и титана (1%), выдерживающие температуру до 1600 °С. Для термометров из неблагородных металлом используются стальные защитные чехлы. Чехлы на углеродистой стали применяются для работы при температуре до 600 °С, а из нержавеющей и жаропрочной — до 1000 °С.
Для снижения стоимости стальных чехлов их иногда выполняют составными: концевую часть, погружаемую в измеряемую среду,- из легированной стали, а остальную часть - из углеродистой. Стальные защитные чехлы термометров бывают без штуцера и с подвижным или неподвижным штуцером с резьбой, служащим для установки термометра в месте измерения температуры. Термометры без штуцера устанавливаются с помощью особого крепления.
Головка термометра, закрытая съемной крышкой и имеющая обычно водозащищенное исполнение, изготавливается из бакелита или алюминия и жестко соединяется с открытым концом защитного чехла. В головке расположены зажимы для подключения внешних проводов и штуцер с уплотнением для их ввода.
В тех случаях, когда термоэлектроды не подвергаются длительно вредному воздействию внешней среды и не требуют придания им большой прочности, защитные чехлы и закрытые головки не применяются. К этой группе относится большинство термометров, применяемых при специальных и лабораторных измерениях.
Запаздывание показаний термоэлектрических термометров зависит от их тепловой инерции, показателем которой является время, необходимое для того, чтобы при быстром внесении равномерно нагретого до 30—35 °С термометра в водяной термостат с более низкой постоянной температурой (около 15—20 °С) разность температур воды и термометра стала равной 37% температуры, которую термометр будет иметь к моменту наступления теплового равновесия (т. е. практически от температуры воды в термостате). В зависимости от значения показателя тепловой инерции термометры бывают малоинерционные (до 40 с), со средней инерционностью (до 1 мин), с большой инерционностью (до 3,5 мин) и с ненормированной инерционностью (свыше 3,5 мин).
Выпускаются одинарные(с одним чувствительным элементом) и двойные (с двумя чувствительными элементами) термоэлекртические термометры различных типов.
Двойные термометры применяются для измерения температуры в одном и том же место одновременно двумя вторичными приборами, установленными в разных пунктах наблюдения. Они содержат два одинаковых чувствительных элемента, заключенных в общую арматуру. Термоэлектроды их изолированы друг от друга и защитного чехла. В головке термометра находятся четыре зажима для присоединения проводов от вторичных приборов.
Для измерения высокой температуры газов при атмосферном давлении применяются термоэлектрические термометры типов ТПП-0555 и ТПР-0555.
Для измерения температуры жидкости, газа и пара применяются одинарные и двойные виброустойчивые термоэлектрические термометры типов ТХА-0515 и ТХК-0515, выпускаемые в трех исполнениях — без штуцера, с подвижным штуцером и снеподвижным штуцером. Защитный чехол термометров имеет наружный диаметр 10 мм. Для первого термометра он изготовляется из стали 0X13, Х18Н10Т или 0Х20Н14С2 и для второго — из стали 0X13 или 0Х20Н14С2. Термоэлектроды термометров изолированы двухканальными фарфоровыми бусами, а рабочий конец — фарфоровым колпачком. Термометры снабжены водозащищенной головкой. Для термометров с подвижным штуцером допускаемое условное давление среды составляет 0,4 МПа, а с неподвижным штуцером и без него — 6,4Мпа. При установке термометров с неподвижным штуцером в защитной гильзе допускаемое условное давление среды равно 25 или 50 МПа. Монтажная длинатермометров изменяется в пределах 120—2000 мм, причем для термометров со штуцером она ограничивается его положением на чихле. Инерционность термометра составляет 10— 40 с, а в защитной гильзе — 40—120 с.
При установке термометра без защитной гильзы допускается скорость измеряемой среды равна для воды 15 и пара 25 м/с. При наличии защитной гильзы на условное давление 25 или 50 МПа допускаемая скорость для термометра типа ТХА-0515 составляет для воды 20 и для пара 40 м/с, а для термометра типа ТХК-0515 — для воды и пара при давлении 25 МПа соответственно 20 и 40 и давлении 50 МПа — 100 и 120 м/с.
Для измерения температуры жидкости и газа применяютсятакже термоэлектрические термометры типов ТХА-VI11 и TXK-VIII с неподвижным штуцером и монтажной длиной 160—1250 мм, рассчитанные на условное давление 4МПа, и типов ТХА-ХШ и ТХК-ХШ без штуцера
с монтажной длиной 500—3200 мм, предназначенные для работы при атмосферном давлении. Защитный чехол наружным диаметром 21 мм изготовляется для термометров ТХА из стали Х18Н10Т или Х25Т, а для термометров типа ТХК — из стали 20 или Х18Н10Т. Термоэлектроды термометров изолированы фарфоровыми бусами. Рабочий конец термометров помещен в фарфоровый колпачок. Термометры снабжены алюминиевой головкой. Инерционность термометров 3,5 мин.
