Манометрические термометры: методы и средства поверки

метки: Термометр, Давление, Температура, Манометрический, Газовый, Термобаллон, Измерение, Шкала

В практической жизни человек всюду имеет дело с измерениями. Измерения – это совокупность операций для определения отношения одной измеряемой величины к другой однородной величине, принятой за единицу, хранящуюся в техническом средстве (средстве измерений).

Получившееся значение называется числовым значением измеряемой величины, числовое значение совместно с обозначением используемой единицы называется значением физической величины. Измерение является одним из важнейших путей познания природы человеком. Они дают количественную характеристику окружающего мира, открывая человеку действующие в природе закономерности. Математика, механика, физика стали именоваться точными науками потому, что благодаря измерениям они получили возможность устанавливать точные количественные соотношения, выражающие объективные законы природы.

Все отрасли техники не могли бы существовать без развернутой системы измерений, определяющих как все технологические процессы, контроль и управление ими, так и свойства и качество выпускаемой продукции. Один из распространённых видов измерения это термометры. Сейчас с помощью термометров измеряют температуру тела, воды, воздуха, жидкостей, смесей, газов и твердых тел.

Рассмотрим более подробно историю изобретения термометра. Считают, что изобретателем первого термометра-термоскопа был знаменитый итальянский учёный Галилео Галилей (1597 г.).

Термоскоп Галилея представлял собой стеклянный шарик с припаянной к нему стеклянной трубкой. Шарик слегка нагревали, и конец трубки опускали в сосуд с водой. Через некоторое время воздух в шарике охлаждался, его давление уменьшалось, и вода под действием атмосферного давления поднималась по трубке вверх на некоторую высоту. В дальнейшем при потеплении, давление воздуха в шарике увеличивалось, и уровень воды в трубке понижался, а при охлаждении повышался. При помощи термоскопа можно было судить только об изменении степени нагретости тел: числовых значений температуры он не показывал, поскольку не имел шкалы. Современную форму (запаяв трубку и перевернув её шариком вниз) термометру придал Габриель Даниель Фаренгейт, голландский физик, выдувальщик стекла. А постоянные (реперные) точки – кипящей воды и тающего льда – на шкале термометра разместил шведский астроном и физик Андерс Цельсий в 1742 году.

Так же шведский физик Цельсий в 1742 г., первоначально он ставил 0° при точке кипения, а 100° при точке замерзания, и принял обратное обозначение лишь по совету М. Штёрмера. Сохранившиеся экземпляры термометров Фаренгейта отличаются тщательностью исполнения. Однако более удобной оказалась «перевернутая» шкала, на которой температуры таяния льда обозначили 0 С, а температуру кипения 100 С. Таким термометров впервые пользовались шведские ученые ботаник К. Линней и астроном М. Штремер. Этот термометр получил широкое распространение. В настоящее время существуют много видов термометров: цифровые, электронные, инфракрасные, манометрические, биметаллические, дистанционные, электроконтактные, жидкостные, термоэлектрические, газовые, термометры сопротивления и т.д. У каждого термометра – свой принцип действия и своя сфера применения.

В данной курсовой работе будет рассмотрен более подробно один из видов измерения температуры — это манометрические термометры, принцип действия которых основан на изменении давления рабочего (термометрического) вещества в зависимости от температуры.

1 ОБЩАЯ ЧАСТЬ

Термометр манометрический – это измерительный прибор, который работает на принципе зависимости между температурой вещества, находящегося в замкнутом объеме,и его давлением. Он относится к тому классу оборудования, который применяется для контролирования температуры неагрессивных жидкостей и газов. Такой термометр поставляет определенные данные, которые также используются для контролирования давления нужной среды. Существует множество модификаций термометров манометрических, такой выбор делает возможным подобрать именно то оборудование, которое соответствует всем требованиям монтажа и эксплуатации. Манометрические термометры бывают указывающими и самопишущими на специальной диаграммной ленте или на диаграммном диске, причем самопишущий прибор может приводиться в движение или часовым механизмом, или электромотором.

1.2 Виды манометрического термометра

1.2.1 Жидкостные манометрические термометры

В жидкостных манометрических термометрах вся измерительная система (термобаллон, манометр и соединительный капилляр) заполнена жидкостью;

— В приборах этого типа всю систему термометра заполняют термометрической жидкостью под некоторым начальным давлением. В качестве термометрического вещества в данных термометрах используется ртуть под давлением 10-15 МПа при комнатной температуре или толуол, ксилол, пропиловый спирт, силиконовые жидкости при Р=0,5-5 МПа. При ртутном заполнении диапазон измерений -30÷600оС, а для органических жидкостей

• 150÷300 оС. Так как жидкость практически несжимаема, объем термобаллона в жидкостных термометрах должен быть согласован со свойствами манометрической пружины.

При измерении температуры от t0 до t из термобаллона вытесняется жидкость объемом

∆V = V0 (βж — 3α) (t – t0) (1.1)

где βж – температурный коэффициент объемного расширения жидкости;

• α– коэффициент линейного расширения материала термобаллона;
• V0 – объем жидкости в термобаллоне при температуре t0.

Как следует из уравнения, изменение объема жидкости при нагревании является линейной функцией температуры, поэтому жидкостные термометры, как и газовые, имеют равномерную шкалу. Благодаря большой теплопроводности жидкости термобаллон 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. При значительной длине капилляра для жидкостных термометров применяют компенсационные устройства в виде биметаллического компенсатора. Из-за значительного давления в системе, которое предохраняет жидкость от закипания, погрешность от изменения барометрического давления в этих термометрах отсутствует.

Манометрическим жидкостным термометрам свойственна гидростатическая погрешность, вызванная различным положением манометра относительно термобаллона. Эта погрешность устраняется после монтажа прибора путем смещения указателя прибора на нужное значение по шкале.

1.2.2 Конденсационные манометрические термометры

В конденсационных термометрах термобаллон заполнен частично жидкостью с низкой температурой кипения и частично — ее насыщенными парами, а соединительный капилляр и манометр — насыщенными парами жидкости или, чаще, специальной передаточной жидкостью. В качестве манометрического вещества в этих термометрах используются легкокипящие жидкости (пропан, этиловый эфир, ацетон, толуол, хлористый метил и т.д.).

Диапазон измерения -50÷350°С. Специально изготовленные термометры применяются для измерения сверхнизких температур от 0,8 К. Термобаллон термометра заполнен конденсатом примерно на 70-75% объема, а над конденсатом находится насыщенный пар этой же жидкости. Капилляр опущен в термобаллон так, что его конец находится в жидкости и в том случае, когда при максимальной температуре в термобаллоне остается часть жидкости.

Давление в термосистеме конденсационного термометра равно давлению насыщенного пара при температуре рабочей жидкости, которая в свою очередь равна температуре измеряемой среды. Зависимость Р насыщенного пара от температуры однозначна (до критической температуры), но нелинейно, из-за чего шкалы конденсационных термометров имеют значительную неравномерность. Для получения равномерной шкалы конденсационные термометры снабжают специальным линеаризующим устройством. Рабочее давление Р зависит только от пределов измерения и закона изменения давления насыщенного пара от температуры. Таким образом, давление в термосистеме зависит только от измеряемой температуры t, изменение температуры окружающей среды не оказывает влияния на показание прибора. Поскольку термобаллон может быть выполнен малых размеров, то конденсационные термометры менее инерционны, чем другие манометрические термометры. Кроме того, эти термометры более чувствительны, т.к. давление насыщенного пара резко меняется с температурой.

Конденсационным термометрам присущи гидростатическая погрешность и погрешность от изменения барометрического давления. Первая компенсируется аналогично жидкостным термометром, а вторая значительна лишь на начальном участке шкалы, когда давление в термосистеме невелико. У конденсационных манометрических термометров возможно появление дополнительных погрешностей:

• гидростатической (из-за различной высоты расположения термобаллона и манометра)
• атмосферной из-за колебания атмосферного давления (особенно для начала шкалы).

Погрешность за счет температуры окружающей среды теоретически отсутствует, так как изменение объема передаточной жидкости приводит лишь к изменению соотношения между жидкой и паровой фазой в термобаллоне, не меняя в нем давления, зависящего только от температуры. Однако практически небольшая погрешность при изменении температуры окружающей среды все же наблюдается (за счет манометра) и нормируется (ГОСТ 8624—64) значением до 0,25% на каждые 10°С отклонения температуры от +20°С. Шкалы конденсационных термометров получаются существенно неравномерными из-за нелинейного соотношения между температурой кипения и соответствующим давлением.

1.2.3 Газовые манометрические термометры

В газовых термометрах вся измерительная система (термобаллон, манометр и капилляр) заполнена инертным газом Газовые манометрические термометры они предназначены для измерения температуры от -50 до 600°С. Термометрическим веществом здесь служит гелий или азот. Принцип работы газовых манометрических термометров основан на использовании закона Шарля:

Pt = P0 (1 + β (t − t0 )) (1.2)

где t0 и t – начальная и конечная температуры;

• P0 и Pt – давление газа при температурах t0 и t соответственно;
• β – термический коэффициент давления газа (β =1/273,15 или 0,00366 К-1).

Для реальных систем эта линейная связь строго не сохраняется, т.к. с изменением температуры изменяется объем термобаллона и с изменением давления – объем манометрической пружины, а также происходит обмен между термобаллоном и капилляром. Но, поскольку эти изменения невелики, то можно считать, что шкала газовых манометрических термометров равномерна. Подставляя в формулу вместо Pt и t соответственно Рн и tн, а также Рк, tк, получим выражение для величины рабочего давления газового манометрического термометра:

P ⋅ β ⋅ (t к − t н )

ΔP = Pк − Pн = н

1 + β ⋅ tн (1.3)

где Рн и Рк – давления в термосистеме, соответствующее начальному tн и конечному tк значениям температуры по шкале прибора.

По этой формуле может быть рассчитано начальное давление заполнения системы Рн для заданного диапазона измерения температур. Рн в зависимости от диапазона шкалы может быть в пределах от 1 до 3 МПа. Чем больше Рн, тем больше ∆Р и тем меньше влияние барометрического давления на показания прибора. Объем термобаллона Vт в газовых манометрических термометрах не зависит ни от рабочего давления, ни от пределов измерения температур. Но если при измерении температура, окружающая капилляр и манометрическую пружину, отличается от градировочной температуры, то возникает дополнительная погрешность. Чтобы ее уменьшить, стремятся уменьшить отношение (Vп+Vк)/Vт (где Vп и Vк – внутренний объем пружины и капилляра), увеличивая размер термобаллона. Поэтому для газовых манометрических термометров характерен большой размер термобаллона (d =20-30 мм, l = 250-500 мм) и как следствие этого – их значительная инерционность.

Таблица 1 Вещества, применяемые для заполнения манометрических термометров

	Рабочее вещество	Пределы измеряемых температур	Характер шкалы
Газовые термометры	Азот Гелий	-130 550 -130 550	Равномерная
Жидкостные термометры	Ртуть Ксилол Метиловый спирт	-30 500 -40 400 -46 150	Равномерная До 120 С равномерная Равномерная
Паровые термометры	Хлористый метил Хлористый этил Этиловый этил Ацетон Бензол	0 120 0 120 0 150 0 200 0 200	Неравномерная