Термометры манометрические и биметаллические. Принцип действия, устройство, характеристики, типы и виды манометрических и биметаллических термометров.
Принцип действия манометрических термометров основан на изменении давления газа, жидкости или насыщенного пара в замкнутом объеме в зависимости от температуры. Эти термометры широко применяются во взрывоопасных производствах и выпускаются такими фирмами как «Орлекс» (г. Орел), ОАО «МаноТомь» (г. Томск), Wika, Jumo (Germany) и др. Конструктивно термометр состоит из термобаллона 1, погружаемого в контролируемую среду, манометра 3 для измерения давления и соединяющего их капилляра 2 (рис. 1). Такие термометры используются для измерения температур от -200 до 600 °С и выпускаются следующих разновидностей.
Рис. 1. Схема манометрического термометра:
1 — термобаллон; 2 — капилляр; 3 — манометр
Газовые манометрические термометры применяются для измерения температур в интервале от -200 до 600 °С. Нижний предел измерения выбирается из интервала от -200 до 200 °С, верхний — из интервала от 50 до 600 °С, диапазон измерения находится в интервале от 100 до 700 °С. В качестве наполнителя используется гелий (при низких температурах), азот (при средних температурах) или аргон (при высоких температурах).
Реальное уравнение шкалы несколько отличается от линейного, однако это отклонение незначительно и можно считать, что шкалы газовых манометрических термометров являются равномерными.
Изменение температуры окружающего воздуха влияет на расширение рабочего вещества в капилляре и манометрической пружине, что вызывает изменение давления в термосистеме и соответствующее изменение показаний термометра. Для уменьшения этого влияния уменьшают отношение внутреннего объема пружины и капилляра к объему термобаллона, для чего увеличивают длину термобаллона и его диаметр.
Класс точности газовых термометров 1 или 1,5. Они могут выпускаться показывающими или самопишущими, могут снабжаться дополнительными устройствами.
Конденсационные манометрические термометры используются для измерения температур в интервале от -25 до 300 °С. Нижний предел измерения выбирается из интервала от -25 до 100 °С, верхний — из интервала от 35 до 300 °С, диапазон измерения колеблется в пределах от 50 до 150 °С. Термобаллон термометра примерно на 3/4 заполнен жидкостью с низкой температурой кипения, а остальная часть заполнена насыщенным паром этой жидкости. Капилляр и манометрическая пружина также заполнены жидкостью. Количество жидкости в термобаллоне должно быть таким, чтобы при максимальной температуре не вся жидкость переходила в пар. В качестве термометрических жидкостей используется фреон-22 (при низких температурах), метил хлористый, этил хлористый, ацетон, толуол, спирт (в порядке возрастания пределов измерения). Давление в термосистеме конденсационного манометрического термометра будет равно давлению насыщенного пара рабочей жидкости, определяемого, в свою очередь, температурой, при которой находится рабочая жидкость, т.е. температурой измеряемой среды с помещенным в нее термобаллоном. Эта зависимость давления насыщения пара от температуры имеет нелинейный вид, она однозначна, когда измеряемая температура не превышает критическую.
В связи с тем, что давление в термосистеме зависит только от измеряемой температуры, на показания термометра не будет оказывать влияние температура окружающей среды. Имеет место гидростатическая погрешность, вызываемая разностью высот расположения термобаллона и измерительного прибора. Для уменьшения этой погрешности длина капилляра не должна превышать 25 м. Барометрическая погрешность у конденсационных манометрических термометров может иметь место на начальном участке шкалы, когда давление в термосистеме невелико. В остальных случаях влияние барометрического давления будет пренебрежимо мало.
Конденсационные термометры выпускаются показывающими, дополнительно они могут оснащаться электроконтактными устройствами. Класс термометров 1 или 1,5.
Жидкостные манометрические термометры находят небольшое распространение. Они используются для измерения температур в интервале от -50 до 300 °С. Нижний предел измерения выбирается из интервала от -50 до 100 °С, верхний — из интервала от 50 до 300 °С, диапазон измерения колеблется в пределах от 50 до 300 °С. В качестве термометрических жидкостей используется жидкость ПМС-5 при низких температурах, при высоких — жидкость ПМС-10. Рабочее вещество жидкостных манометрических термометров практически несжимаемо. Поэтому изменение объема рабочей жидкости в термобаллоне при изменении температуры соответственно диапазону измерения вызовет такое увеличение давления в термосистеме, при котором манометрическая пружина изменит свой внутренний объем соответственно изменению объема жидкости. При этом давление зависит от жесткости пружины и для различных манометрических пружин может быть различным.
В жидкостных манометрических термометрах погрешность, вызванная изменением барометрического давления, как правило, отсутствует, так как давление в системе значительно. Погрешность, вызываемая изменением температуры окружающей среды, имеет место и в жидкостных манометрических термометрах. Для ее уменьшения применяют различные способы температурной компенсации.
В жидкостных манометрических термометрах может иметь место гидростатическая погрешность, возникающая при различных уровнях расположения термобаллона и измерительного прибора. Для снижения возможных гидростатических погрешностей длину капилляра уменьшают до 10м. Жидкостные термометры выпускаются показывающими класса 1 или 1,5.
Манометрические термометры могут работать в условиях вибрации, а также во взрывоопасных и пожароопасных помещениях. Источники погрешностей термометров: изменение барометрического давления и температуры окружающей среды, характер взаимного расположения термобаллона и манометра. В табл. 1 приведены некоторые технические характеристики показывающих манометрических термометров ТГП-100М1 (газовые), ТКП-100М1 (конденсационные), ТЖП-100 (жидкостные). Для термометров ТКП-100М1 предельная основная погрешность устанавливается для последних двух третей температурной шкалы, а на первой трети не регламентируется.
Таблица 1
Технические характеристики манометрических термометров
Обозначение | Тип | Интервал применения °С | Класс | Диаметр термобаллона, мм | Длина термобаллона, мм | Глубина погружения термобаллона, мм | Длина капилляра, м |
ТГП-100М1 | Газовый | -50...600 | 1 или 1,5 | 20 или 30 | 125 250 400 | От 160 до 500 | От 1,6 до 60 |
ТКП-100М1 | Конденсационный | -25...300 | 1 или 1,5 | 16 | 78 | От 125 до 400 | От 1,6 до 25 |
ТЖП-100 | Жидкостной | -50...300 | 1 или 1,5 | 10 | 34 42 56 100 | От 80 до 400 | От 1,6 до 10 |
Для термометров с регламентированной погрешностью для первой трети устанавливается последующий низкий класс точности. Вариация показаний не превышает абсолютного значения предельной основной погрешности.
Биметаллические термометры. Принцип их действия основан на том, что полоска из двух свальцованных друг с другом пластин из металлов с различными коэффициентами расширения (биметалл), искривляется при изменении температуры.
Искривление находится в приблизительной пропорции с температурой. Биметаллическая пластина легла в основу двух различных измерительных элементов:
• винтовая пружина,
• спиральная пружина.
Рис. 2. Схема биметаллического термометра с винтовой пружиной
В результате механической деформации биметаллических пластин при изменении температуры в указанных элементах возникает вращательное движение. Если внешний конец биметаллической измерительной системы жестко закреплен, то другой конец без промежуточного элемента проворачивает вал указательной стрелки. Диапазоны показаний лежат между -70 и 600 °С при измерениях с классом точности 1 или 2,5. Условное изображение термометра с винтовой пружиной приведено на рис. 2. Биметаллические термометры являются наиболее простыми измерителями температуры. Они выпускаются НПО «Юмас» (Москва), ЗАО «Орлэкс» (г. Орел),ф. Wika (Germany) и др.