Манометрические термометры

Действие манометрических термометров основано на использовании зависимости между температурой и давлением рабочего (термометрического) вещества в замкнутой герметичной термосистеме. Манометрические термометры являются техническими приборами и в зависимости от рабочего вещества термосистемы они подразделяются на газовые, жидкостные и конденсационные (парожидкостные). В зависимости от рабочего вещества термосистемы их применяют для измерения температуры жидких и газообразных сред от -150 до +600 ^оС. Термометры со специальным заполнителем предназначены для измерения t от +100 до +1000 ^оС.

Манометрические термометры изготавливают показывающие и самопишущие. Некоторые типы термометров изготавливаются с дополнительным устройством для сигнализации (или регулирования) температуры, снабжают передающим преобразователем с выходным унифицированным сигналом постоянного тока 0-5 мА или пневматическим передающим преобразователем с выходным унифицированным пневматическим сигналом 0, 2-1 кгс/кв.см (0, 02-0, 1 МПа).

Схема устройства показывающего манометрического термометра представлена на рисунке 1.1. Термосистема термометра состоит из термобалона 1, погружаемого в среду, температура которой измеряется, капилляра 2 и манометрической пружины 3. Один конец пружины впаян в держатель, канал которго соединяет внутреннюю полость манометрической пружины через капилляр с термобаллоном. Второй свободный конец пружины герметизирован и шарнирно связан с секторным передаточным механизмом, на оси которого насажена указательная стрелка. Термосистема термометра заполнена рабочим веществом, например, газом (или жидкостью), под некоторым начальным давлением. При нагревании термобаллона увеличивается давление газа в замкнутой герметизированной термосистеме, в результате чего пружина деформируется (раскручивается) и ее свободный конец перемещается. Движение свободного конца пружины преобразуется в перемещение указателя относительно шкалы прибора, по которой производят отсчет температуры.

Уменьшение температурной погрешности газовых и жидкостных термометров, обусловленной отклонением температуры пружины от нормальной (20 ^оС), достигается введением термобиметаллического компенсатора 5 в поводок передаточного механизма.

Термобаллон и защитная гильза капилляра изготавливаются из стали марки 1Х18Н9Т, что позволяет применять их на условное давление до 6, 4 МПа без защитной гильзы и на условное давление 6, 4 – 25 Мпа – с защитной гильзой.

Манометрические газовые термометры (МГТ). МГТ позволяют измерять термературу от -150 до +600^оС. Рабочее вещество – азот. Длина соединительного капилляра 0, 6 - 60 м. При постоянном объеме газа зависимость его давления от температуры определяется выражением

, (1.1)

где - давление газа при t=0 ;

- термический коэффициент давления газа, .

При изменении температуры газа в термобаллоне термометра от до будет изменяться и давление газа в соответствии с вражением

, (1.2)

где и - давление газа при температуре, соответствующей началу и концу шкалы термометра.

После несложных преобразований получаем

. (1.3)

Из этого выражения видно, что размер рабочего давления в термосистеме газового термометра прямо пропорционален значению начального давления и диапазону измерения () прибора. При повышении температуры термобаллона термометра объем термосистемы его увеличивается в основном за счет расширения термобаллона и увеличения объема внутренней полости манометрической пружины. При увеличении температуры газа, а вместе с тем и давления, происходит частичное перетекание газа из термобаллона в капилляр и манометрическую пружину. При понижении температуры газа в термобаллоне будет происходить обратный процесс. Вследствие этого при измерении температуры газовым термометром постоянство объема газа в термосистеме не сохраняется. Поэтому зависимость между давлением газа в термосистеме и его температурой незначительно отклоняется от линейной и действительное давление газа в термосистеме при температуре будет меньше подсчитанного по формуле (1.2). Однако эта нелинейность не играет существенной роли, и шкала газового термометра получается практически равномерной.

Ввиду больших размеров термобаллона (диаметр – 20 мм, длина – 125 мм – 500 мм) газовые термометры не везде могут быть применены.

Манометрические конденсационные термометры (МКТ). Термобаллон МКТ частично заполнен конденсатом (примерно на 0, 7-0, 75 объема), а в верхней части термобаллона над конденсатом находится насыщенный пар этой жидкости. Манометрическая пружина и капилляр термометра заполнены тем же конденсатом, что и термобаллон.

МКТ выпускаются с пределами измерения от -50 ^оС до 300 ^оС. В качестве конденсата используется фреон-22 с пределами измерения от -25 до 80 ^оС, пропилен с пределами измерения от -50 ^оС до 60 ^оС, хлористый метил с пределами измерения от 0 до 125 ^оС, ацетон с пределами измерения от +100 до 200 ^оС, этиленбензол с пределами измерения от +160 до 300 ^оС и т.п.

Давление в термосистеме МКТ равно давлению насыщенного пара в термобаллоне. При этом зависимость между давлением насыщенного пара и температурой является вполне определенной, однозначной и известной для конденсата, которым заполенена термосистема термометра. Однако однозначная зависимость давления насыщенного пара от температуры имеет место только до определенной температуры, называемой критической.

Показания МКТ зависят от высоты расположения термобаллона (выше или ниже) по отношению к корпусу прибора, а также и от изменения атмосферного давления. При этом погрешность показаний термометра в начале шкалы будет больше, чем в конце шкалы, так как в последнем случае давление столба рабочей жидкости в капилляре будет весьма малой долей общего давления в термосистеме.

Жидкостные манометрические термометры (МЖТ). Для заполнения термосистемы МЖТ применяют пропиловый алкоголь, метансилол, силиконовые жидкости и т.п. МЖТ позволяют измерять температуру от -150 до +300 ^оС. Они выпускаются с различными диапазонами измерения температуры в указанном интервале. Шкала МЖТ получается практически равномерной.

МЖТ существенно отличаются от газовых и конденсационных, так как жидкости, применяемые в качестве заполнителей, практически несжимаемы. В термометрах этого типа объем термобаллона для данной рабочей жидкости должен быть согласован с диапазоном измерения прибора, с изменением объема внутренней полости манометрической пружины при рабочем ходе свободного конца ее, а вместе с тем и с изменением давлением в термосистеме.

При нагреве термобаллона от до жидкость расширяется, а термобаллон увеличивает свой объем. Чем больше диапазон измерения МЖТ, тем меньше должен быть внутренний объем термобаллона при одинаковых прочих условиях. Например, для МЖТ с диапазоном измерения 40-80 ^оС длина корпуса термобаллона равна 110 мм, а с диапазоном 60-310 ^оС длина равна 18 мм. Диаметр термобаллона в обоих случаях равен 12 мм.

В МЖТ рабочее давление в термосистеме в отличие от конденсационных и газовых термометров не связано строгой зависимостью с и начальным давлением. Изменение атмосферного давления на показания жидкостных термометров практически не влияет.

Основные метрологические характеристики манометрических термометров. Манометрические термометры (МТ) рассчитаны на работу при температуре окружающего воздуха от 5 до 50 ^оС и относительной влажности до 80%. МТ изготавливаются следующих классов точности: 1, 0; 1, 5; 2, 5; и 4.

Изменение показаний МТ, вызываемое влиянием температуры окружающего воздуха при отклонении ее от 20 ^оС, до любого значения в интервале от 5 до 50 ^оС не должно превышать значения, вычисленного по формуле

, (1.4)

где - изменение показаний термометра, выраженное в % диапазона измерения;

Х – значение допускаемого непостоянства показаний термометра, равное половине предела допускаемой основной погрешности, %;

- температурный коэффициент термометра в % на ^оС (для газовых= 0, 05; для конденсационных= 0, 04; для жидкостных= 0, 075 и для приборов со специальным заполнителем= 0, 035);

- абсолютное значение отклонения температуры окружающего воздуха от 20 ^оС.