Манометрические термометры

Манометрический термометр состоит из термобал­лона 1, капиллярной трубки 2 и манометрической части 3—7. Вся система прибора (термобаллон, капиллярная трубка, мано­метрическая пружина) заполнена рабочим веществом. Термо­баллон помещают в зону измерения температуры. При нагре­вании термобаллона давление рабочего вещества внутри замкну­той системы увеличивается. Увеличение давления воспринимается манометрической трубкой (пружиной), которая воздействует через передаточный механизм на стрелку или перо прибора. Термо­баллон обычно изготовляют из коррозионно-стойкой стали, а ка­пилляр — из медной или стальной трубки с внутренним диаме­тром 0,15—0,5 мм. В зависимости от назначения прибора длина капиллярной трубки может быть различной и находится обычно в пределах следующего ряда: 1; 1,6; 2,5; 4; 6; 10; 16; 25; 40 и 60 м.

Иногда капилляр может отсутствовать, и термобаллон непо­средственно соединяют с манометрической частью. Для защиты от механических повреждений капилляр помещают в защитную оболочку из стального плетеного, рукава.

В манометрических термометрах применяют одновитковые, многовитковые (геликоидальные) с числом витков от 6 до 9 и спи­ральные манометрические трубки.

Манометрические термометры широко применяют в химических производствах. Они просты по устройству, надежны в работе, при отсутствии электропривода диаграммы — взрыво- и пожаро­безопасны. С помощью этих приборов можно измерять температуру в диапазоне от —150 до +600 °С.

Согласно ГОСТ 8624—80 манометрические термометры имеют классы точности 1,0; 1,5; 2,5; 4,0.

Для работы со вторичными приборами изготовляют манометри­ческие термометры с электрической и пневматической дистан­ционными передачами показаний. В этих приборах температура преобразовывается в унифицированный электрический или пнев

матический сигнал. Принципиальные схемы электрической и пневматической систем передачи показаны на рис. Различают следующие типы манометрических термометров: газовые, в которых вся система заполнена газом под некоторым начальным давлением;

жидкостные, в которых система заполнена жидкостью; конденсационные, в которых термобаллон частично заполнен низкокипящей жидкостью, а остальное пространство термобал­лона заполнено парами этой жидкости.

По устройству манометрические термометры всех типов ана­логичны. Они "бывают показывающими, регистрирующими и кон­тактными.

Контактный термометр состоит из термобаллона, капиллярной трубки и манометрической трубчатой пружины. На стрелке 1 термометра имеется электроконтакт, который при со­прикосновении с контактами 2 (минимальной температуры) или 3 (максимальной температуры) замыкает электрическую цепь одной из сигнальных ламп 4. Контакты 2 и 3 устанавливают на заданную температуру по шкале 5 прибора ключом, вставленным в гнездо кнопки, которая укреплена в центре стекла прибора. Прибор под­ключают к электросети через клеммную коробку 6.

Манометрические газовые термометры основаны на зависи­мости между температурой и давлением газа, заключенного в гер­метически замкнутой термосистеме.

Начальное давление в газовых термометрах зависит от пре­делов температуры и составляет обычно 0,98—4,9 МПа. Чем выше температура, тем ниже давление и наоборот.

Зависимость давления от температуры выражается уравнением

где р = 1/273,15 — температурный коэффициент расширения газа; t₀ и t — начальная и конечная температура; р₀ — давление рабо­чего вещества при температуре t₀.

Шкала термометра равномерная, что является его преимуще­ством.

В диапазоне измеряемых температур различия свойств реаль­ных и идеальных газов незначительны и учитываются при граду­ировке термометров.

Из уравнения изменение давления. Начальное давление в системе газового термо­метра

Газ для заполнения манометрических термометров должен быть химически инертным, обладать незначительной вязкостью, малой теплоемкостью, легко получаться в чистом виде. Всем этим требованиям наиболее полно удовлетворяет азот. Термометры, заполненные азотом, применяют в-диапазоне температур от 0 до +600 °С.

Если в системе термометра относительно большое начальное давление, то влияние колебаний атмосферного давления на пока­зания прибора небольшое и его практически можно не учитывать. Отклонение температуры окружающей среды от +20 °С вызывает погрешность измерения, которую можно подсчитать по прибли­женной формуле

где 1/_м — объем манометрической пружины; 1/_б — объем термо­баллона; t_u — температура среды, окружающей манометр; t₀ — температура градуировки прибора (обычно 20 °С). Погрешность от нагревания капиллярной трубки

где У_к — объем капиллярной трубки; t_K — температура среды, окружающей капилляр.

Погрешность от изменения температуры для капилляра больше, чем для манометра. Из формулы (4.3) видно, что погреш­ность возрастает пропорционально объему, а следовательно, и длине капилляра. Она может быть уменьшена увеличением объема термобаллона при той же длине капилляра. Обычно объем термо­баллона составляет 90 % общего объема термометра. Пользуясь формулой (4.3), можно подсчитать наибольшую для данного термо­баллона длину капилляра, при которой погрешность At_K не будет превышать некоторого заданного значения при данной разности температур.

При правильно выбранном соотношении объемов термобал­лона, капилляра и трубчатой пружины термометры с достаточной точностью могут работать без температурной компенсации.

К специфическим недостаткам газовых манометрических термо­метров относятся: сравнительно большая тепловая инерция, обусловленная низким коэффициентом теплообмена между стен­ками термобаллона и наполняющим его газом и малой теплопро­водностью газа; большие размеры термобаллона, что затрудняет его установку на трубопроводах малого диаметра; необходимость частой проверки. Последнее вызвано тем, что в процессе эксплу­атации газовых термометров возможны нарушение герметичности и утечка газа, что не всегда можно сразу заметить.

Манометрические жидкостные термометры. В приборах этого типа всю систему термометра заполняют жидкостью под некоторым начальным давлением. К жидкостям, применяемым для запол­нения, предъявляют следующие требования: возможно больший коэффициент объемного расширения, высокая теплопроводность,- небольшая теплоемкость и химическая инертность к материалу термометра. Обычно применяют силиконовые жидкости. Предел измерения температуры от —150 до +300 °С. При повышении температуры термобаллона от t₀ до t жидкость в нем расширяется, избыточный объем вытесняется в капилляр и манометрическую трубку. Жесткость термобалЛона и капилляра значительно больше жесткости манометрической трубки, поэтому увеличение объема системы происходит благодаря изменению объема манометриче­ской трубки. При деформации манометрической трубки ее сво­бодный конец перемещается.

Избыточный объем жидкости ДУ, вытесненной из термобал­лона,

где р — температурный коэффициент объемного расширения жидкости; а — температурный коэффициент линейного расши­рения материала термобаллона; 1/₀ — объем жидкости в термо­баллоне при температуре t₀.

Как следует из уравнения (4.4), изменение объема жидкости при нагревании является линейной функцией температуры; по­этому жидкостные термометры, как и газовые, имеют равномер­ную шкалу.

Для предохранения жидкости от закипания в термометре обеспечивается начальное давление порядка 1,47—1,96 МПа.

Ьлагодаря большой теплопроводности жидкости термооаллон термометра сравнительно быстро принимает температуру измеря­емой среды. Однако по этой же причине погрешности от колебания температуры окружающей среды у жидкостных термометров больше, чем у газовых. Температурные погрешности подсчитывают по формулам, используемым для газовых термометров. При зна­чительной длине капилляра (больше 0,6—10 м) для жидкостных термометров применяют компенсационные устройства в виде биметаллического компенсатора.

Для жидкостных термометров следует также учитывать по­грешность, вызванную различным положением термобаллона отно­сительно манометра по высоте. Эта погрешность может быть ском­пенсирована установкой стрелки или пера прибора с помощью механическоге корректора на ноль или' начало шкалы после мон­тажа термометра.

Жидкость практически несжимаема, поэтому изменение атмо­сферного давления не влияет на показания прибора.

Манометрические конденсационные термометры. В конденса­ционных термометрах термобаллон обычно заполняют на ²/₃ объема низкокипящей жидкостью. Перед заполнением термометра воздух из системы удаляют. В замкнутой системе термометра всегда поддерживается динамическое равновесие одновременно протекающих процессов испарения и конденсации. При повыше­нии температуры усиливается испарение жидкости и увеличи­вается упругость пара, а в связи с этим усиливается также и про­цесс конденсации. В конечном итоге насыщенный пар достигает некоторого определенного давления, строго отвечающего темпе­ратуре.

Среда, заполняющая капилляр и манометрическую трубку, служит передатчиком давления независимо от того, жидкая она или газообразная. Так как зависимость давления насыщенного пара от температуры однозначна только до критической темпера­туры, то верхний предел шкалы термометра должен быть ниже •критической температуры данной жидкости. Давление ^пара, изменяясь с температурой, передается через капилляр маноме­трической пружине. Изменение давления насыщенного пара непропорционально изменению температуры, поэтому шкала кон­денсационного термометра неравномерная. Это один из недостат­ков конденсационных термометров. Изменение температуры ка­пилляра и манометрической трубки не влияет на давление в си­стеме конденсационного термометра; длина капилляра у термо­метров такого типа ограничивается в основном трением жидкости в капилляре. Для получения равномерной шкалы конденсацион­ные термометры некоторых типов снабжают специальным допол­нительным устройством.

Жидкости для заполнения термометров должны быть хими­чески чистыми, а точка их кипения — достаточно низкой, чтобы обеспечить"необходимую величину давления в пределах измеря­емых температур. Кроме того, жидкости не должны взаимодей­ствовать (химически) на материал термометра. В диапазоне тем­ператур от —50 до +300 °С для заполнения термобаллона исполь­зуют различные низкокипящие жидкости.

Количество жидкости в термобаллоне не имеет существенного значения. Важно только, чтобы при наиболее низкой измеряемой температуре в термобаллоне имелось некоторое количество на­сыщенного пара, а при наиболее высокой температуре оставалось некоторое количество неиспарившейся жидкости. Термобаллон должен быть заполнен с таким расчетом, чтобы входящий в него открытый конец капиллярной трубки был во всех случаях погру­жен в жидкость. Нижний предел измерения конденсационным термометром ограничивается определенной величиной давления пара.

Конденсационные термометры более чувствительны, чем термо­метры других типов. Это объясняется тем, что давление насы­щенного пара очень быстро изменяется с температурой.

Деформация манометрической трубки пропорциональна избы­точному давлению насыщенных паров жидкости, т. е. разности давления паров и атмосферного давления, поэтому изменение атмосферного давления влияет на показания прибора. Для умень­шения погрешности необходимо, чтобы "давление насыщенных паров рабочей жидкости в диапазоне измеряемых температур было значительно больше атмосферного давления.