ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ПРИБОРОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

 

 

Методические указания

 

 

Специальность 260601 Машины и аппараты пищевых производств

очной формы обучения

 

 

Тула 2011

 

I. Цель работы:

- изучение методов измерения температуры;

- построение структурных схем измерения температуры для различных процессов пищевых и перерабатывающих производств.

 

II. Основные теоретические сведения

 

Существует большое количество приборов - термометров, служащих для измерения температуры путем преобразования ее в показание или сигнал, являющийся известной функцией температуры, и основанных на использовании, как правило, двух методов измерения: контактном и бесконтактном.

Контактный метод состоит в том, что измерение температуры производится путем непосредственного контакта чувствительного элемента термометра с измеряемой средой. Термометры, в основу которых положен контактный метод измерения температуры, подразделяются на три основные группы:

1) термометры расширения, действие которых основано на использовании зависимости удельного объема вещества от температуры. В свою очередь они подразделяются на термометры жидкостные, дилатометрические и манометрические;

2) термоэлектрические термометры, действие которых основано на использовании термоэлектродвижущей силы термопары от температуры;

3) электрические термометры сопротивления, действие которых основано на использовании зависимости электрического сопротивления вещества от температуры.

Бесконтактный метод состоит в том, что для измерения температуры используется тепловое излучение нагретых тел. Термометры, в основу которых положен бесконтактный метод, называются пирометрами и подразделяются на яркостные, радиационные и цветовые.

 

ТЕРМОМЕТРЫРАСШИРЕНИЯ. ЖИДКОСТНЫЕ ТЕРМОМЕТРЫ

 

Измерение температуры жидкостными термометрами расширения основано на различии коэффициентов объемного расширения материала оболочки термометра и жидкости, заключенной в ней. В качестве рабочего вещества чаще всего применяется ртуть или этиловый спирт, в некоторых случаях толуол, эфир, пентан и др. Оболочка термометров изготовляется из термометрических сортов стекла с малым коэффициентом расширения. Для измерения высоких температур применяется кварц.

 

ДИЛАТОМЕТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ

 

Термометры, действие которых основано на тепловом расширении твердых тел, называются дилатометрическими. Они изготовляются двух основных типов: стержневые и биметаллические.

Принцип действия стержневого дилатометрического термометра (рис. 1) основан на использовании разности удлинений трубки 1 и стержня 2 при нагревании вследствие различия их коэффициентов линейного расширения. Трубка изготовляется из материала с малым коэффициентом линейного расширения (кварц, инвар), а стержень - с большим (латунь, медь, алюминий, сталь). Движение стержня передается стрелке прибора с помощью механической передачи 5.

Биметаллический дилатометрический термометр (рис. 2) имеет чувствительный элемент в виде спиральной (или плоской) пружины, состоящей из двух пластин из разных металлов, сваренных по всей длине. Внутренняя пластина имеет больший коэффициент линейного расширения, чем внешняя, поэтому при нагреве такая пружина раскручивается. Подобными термометрами измеряется температура в пределах от - 150 до +700°С (погрешность 1 - 2,5%). Они широко применяются в холодильных установках, бытовых холодильниках, кондиционерах и т. п. На базе этих термометров изготовляются и выпускаются простейшие автоматические регуляторы температуры.

 

МАНОМЕТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ

 

Термометры, действие которых основано на использовании зависимости давления вещества при постоянном объеме от температуры называются манометрическими.

В зависимости от заполнителя (рабочего вещества) эти термометры подразделяются на газовые, жидкостные и конденсационные. Устройство всех типов манометрических термометров аналогично. Прибор (рис. 3) состоит из термобаллона 1, капиллярной трубки 6 длиной до 60 м, защищенной металлическим рукавом 7, и манометрической части, заключенной в корпусе 5. Вся система прибора заполняется рабочим веществом. При нагреве термобаллона увеличивается объем жидкости или повышается давление рабочего вещества внутри замкнутой термосистемы. Эти изменения воспринимаются манометрической трубкой 3, которая через передаточный механизм, состоящий из тяги 4 и сектора 2, воздействует на стрелку прибора. Термобаллон обычно снабжается хвостовиком 8 и изготовляется из нержавеющей стали, а капилляр - из медной или стальной трубки диаметром 0,15-0,5 мм. Диапазон измерения температур с помощью манометрических термометров от -120° С до +600° С. Класс точности 1,5-2,5. Эти приборы просты по устройству, дешевы и надежны. Поэтому они используются практически во всех отраслях пищевой промышленности, как для технологического контроля, так и для автоматического регулирования. На базе манометрических термометров изготовляется ряд термореле, многие из которых выпускаются специально для пищевой промышленности.

Основным недостатком манометрических термометров является большая инерционность, достигающая 1,5 мин и более.

 

ГАЗОВЫЕ МАНОМЕТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ

 

В этих приборах герметически замкнутая термосистема заполняется азотом, термодинамические свойства которого близки к свойствам идеального газа. Начальное давление газа в термосистеме составляет 1 - 5 МПа. Зависимость давления от температуры в этих термометрах выражается формулой

p_t = p_o[1 + (t – t_o)], (1)

где p_t - давление рабочего вещества при температуре t, Па;

p_o - давление рабочего вещества при температуре t_o, Па;

- термический коэффициент расширения газа, 1/°С;

t_o и t - начальная и конечная температура, °С.

Из формулы (1) видно, что шкала прибора линейная. Вследствие высокого давления газа в термосистеме колебания атмосферного давления незначительно влияют на показания прибора. Колебания же температуры окружающей среды вызывают заметные погрешности. Однако при правильно подобранном соотношении объема термобаллона и суммарного объема капилляра и манометрической трубки погрешности могут быть сведены к минимуму. При объеме термобаллона, в несколько раз превышающем объем капилляра и манометрической трубки, погрешности от изменения окружающей температуры невелики.

 

ЖИДКОСТНЫЕ МАНОМЕТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ

 

Термосистема в этих приборах заполняется жидкостью - ртутью или ксилолом. При повышении температуры термобаллона жидкость в нем расширяется и заставляет перемещаться конец манометрической трубки. Избыточный объем жидкости, вытесняемый из термобаллона

(3)

где - избыточный объем жидкости, м³;

- коэффициенты объемного расширения жидкости и материала термобаллона соответственно, 1/°С;

t - измеряемая температура, °С;

t_o - температура, при которой производится заполнение термосистемы, обычно 20° С;

V_o - объем жидкости при температуре t_o, м³.

Из формулы (3) видно, что шкала жидкостных манометрических термометров линейная. Благодаря тому что жидкости, заполняющие термосистему, обладают большой теплопроводностью, инерционность этих термометров меньше, чем газовых. Однако погрешности от колебания температуры окружающей среды значительнее, чем у газовых термометров. Это вызывает необходимость при большой длине капилляра вводить специальное компенсационное устройство, которое представляет собой капилляр такой же длины, но без термобаллона.

Поправку на изменение внешнего атмосферного давления вводить не требуется, так как жидкость практически не сжимае­ма. Жидкостные приборы, как и газовые, изготовляются различных модификаций и назначений.

 

КОНДЕНСАЦИОННЫЕ МАНОМЕТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ

 

Термобаллон в этих термометрах обычно заполняется на 2/3 объема низкокипящей жидкостью - этилхлоридом, метилхлоридом, ацетоном. При повышении температуры усиливается испарение жидкости и увеличивается давление пара в термосистеме, которое через капилляр передается к манометрической пружине. Однако изменение давления пара не пропорционально изменению температуры, что является одним из недостатков этого типа приборов, шкала которых нелинейна. Конденсационные приборы наиболее чувствительны, однако диапазон измерения их невелик: 0 - 200° С. На показания приборов влияют изменения атмосферного давления, но не влияют изменения температуры окружающей среды.

 

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ

 

В основу измерения температуры термоэлектрическими термометрами положен термоэлектрический эффект, который заключается в том, что в замкнутой цепи, состоящей из двух или нескольких разнородных проводников, возникает электрический ток, если хотя бы два места соединения (спая) нагреты до различной температуры. Простейшая цепь, состоящая из двух разнородных проводников, образующих так называемую термопару, показана на рис. 4. Цепь термопары состоит из термоэлектродов А и В. Спай, имеющий температуру t, называется горячим, или рабочим. Спай, имеющий постоянную температуру t_o, называется холодным, или свободным. Термоэлектрический эффект может быть объяснен наличием в металлах свободных электронов, число которых в единице объема различно для разных металлов: например, в А больше, чем в В. В спае с температурой t электроны из металла А диффундируют в металл В в большем количестве, чем в обратном направлении. Поэтому металл А заряжается положительно, а металл В - отрицательно. Возникающее при этом в месте соприкосновения электрическое поле препятствует диффузии, и когда под влиянием электрического поля, скорость диффузии электронов станет равна скорости их обратного перехода, наступает состояние подвижного равновесия. При этом между проводниками А и В возникает разность потенциалов - термоэлектродвижущая сила (т. э. д. с.). Термоэлектрический ток возникает и в однородном проводнике, если имеется градиент температуры по его длине. Таким образом, в простейшей термоэлектрической цепи, составленной из двух разнородных проводников А и В, возникают четыре разных т. э. д. с.: две в местах спаев; на конце проводника А и на конце проводника В.

Рис. 4. Простейшая термоэлектрическая цепь.

III. Условия проведения работы

Для проведения работы бригаде студентов предоставляются методические указания, а преподаватель иллюстрирует основные теоретические сведения эскизами на доске. Каждый студент обязан принять участие в работе и оформить отчет.

 

IV. Проведение работы

Выполнение работы заключается в излучении теоретического материала (п. II) и анализе возможности применения различных приборов для измерения температуры.

 

Порядок выполнения работы

 

4.1. Подробно изучить основные теоретические сведения (п. II).

4.2. Обсудить с преподавателем принципы измерения температуры.

4.3. Построить структурные схемы измерения температуры для различных процессов пищевых и перерабатывающих производств.

 

V. Содержание и оформление отчета

Отчет должен содержать:

- название работы;

- цель работы;

- описание работы приборов для измерения температуры.

 

Библиографический список

 

1. Петров И. К. Технологические измерения и приборы в пищевой промышленности. М.: Пищ. пром-ть, 1985. 343с.