Манометрические термометры

Прибор состоит из термобаллона , капиллярной трубки и манометрической части .

Вся система прибора (термобаллон, капилляр, манометрическая пружина) заполняется 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 нержавеющей 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 различна (до 60 м). Для защиты от механических повреждений капилляр помещают в защитную оболочку из стального плетеного рукава.

Иногда капилляра может не быть и термобаллон непосредственно соединяется с манометрической частью.

Для содержимого этой страницы требуется более новая версия Adobe Flash Player.

Получить проигрыватель Adobe Flash Player

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 и при отсутствии электропривода диаграммной бумаги — взрыво- и пожаробезопасны. С помощью этих приборов можно измерять температуру в диапазоне от —120 до +600° С.

Различают следующие типы манометрических термометров:

  • Газозаполненные (газовые), вся система которых заполнена газом под некоторым начальным давлением.
  • Жидкозаполненные (жидкостные), система которых заполнена жидкостью.
  • Конденсационные, в которых термобаллон частично заполнен низкокипящей жидкостью, а остальное его пространство заполнено парами этой жидкости.

Устройство всех типов манометрических термометров аналогично. Они бывают показывающими, самопишущими и контактными.

 

Газозаполненные  термометры

 

Газозаполненные (газовые), вся система которых заполнена газом под некоторым начальным давлением. В газовых манометрических термометрах в качестве термомет­рического вещества обычно используют азот. Область применения газовых термометров по ГОСТ 8624—64 лежит в интервале от — 160 до +600°С.
Дополнительные погрешности могут появиться при изменении температуры окружающей среды (коэффициент теплового расшире­ния газов много больше, чем у жидкостей, и равен приблизительно 0,00365 град-1). Для уменьшения их приходится увеличивать раз­меры термобаллона и уменьшать сечение капилляра. Чем больше длина капилляра, тем больше по­лучаются размеры термобалло­на. При длине капилляра 60 м термобаллоны газовых термомет­ров, серийно изготовляемых, име­ют наружный диаметр 22 мм, а рабочую длину 435 мм. Такие размеры термобаллона могут создать трудности при установке их в объекты измерения. По ГОСТ 8624—64 допустимая дополнительная приведенная по­грешность газовых термомет­ров при отклонении темпе­ратуры окружающей среды на 10°С не должна превышать 0,5%.
Погрешность от изменения температуры для капилляра получается больше, чем для манометра. Погрешность возрастает пропорционально объему, а следова­тельно и длине капилляра. Она может быть уменьшена увеличением объема термобаллона при той же длине капилляра. Обычно оъем термобаллона составляет 90% общего объема термометра
При правильно выбранном соотношении объемов термобаллона, капилляра и трубчатой пружины термометры могут работать достаточно точно без температурной компенсации при длине капилляра до 40—60 м. При очень большой длине капилляра необходимый объем, термобаллона становится слишком большим и значительно возрастает тепловая инерция прибора.
К специфическим недостаткам газовых манометрических термометров относятся их 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 небольшого диаметра, и необходимость частой проверки. Последнее вызвано тем, что в эксплуатации газовых термометров возможны нарушение герметичности и утечка газа, что не всегда можно сразу заметить.

 

Жидкозаполненные термометры

 

Жидкозаполненные (жидкостные), система которых заполнена жидкостью.

В приборах этого типа вся система термометра заполняется жидкостью под некоторым начальным давлением. К жидкостям, применяемым для заполнения, предъявляются следующие требования: возможно больший коэффициент объемного расширения, высокая теплопроводность, небольшая теплоемкость и химическая инертность к материалу термометра.
Для заполнения обычно применяют ртуть (в интервале температур от .—30 до +600° С) и ксилол (в интервале температур от —40 до +200° С).
Для предохранения жидкости от закипания в термометре обеспечивается начальное давление порядка 1,47—1,96 МН/м2 (15—20 кгс/см2).

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. Температурные погрешности под­считываются по тем же формулам, что и для газовых термометров.

При значительной длине капилляра для жидкостных термометров необходимо применять компенсационные устройства.

1 – термобаллон,  2 – основной капилляр, 3 -  дополнительный капилляр,  4 и 5 -  соответственно  основная и вспомогательная  спиральные трубчатые пружины

Рисунок 3 – Схема температурной компенсации жидкостного манометрического термометра

 

На рисунке показан один из вариантов компенсационного устройства, у которого рядом с основным капилляром есть дополнительный (компенсационный) капилляр, один конец которого (у термобаллона), запаян, а другой соединен со вспомогательной (компенсационной) пружиной. Оба капилляра и обе пружины заполняются одной и той же рабочей жидкостью и имеют одинаковые характеристики. С изменением температуры окружающей среды давление жидкости в обоих капиллярах и в обеих пружинах изменяется, вследствие чего вспомогательная пружина, раскручиваясь или скручиваясь, действует в направлении, противоположном действию основной пружины, и тем самым исключается влияние температуры окружающей среды на показания прибора.
Для жидкостных термометров следует также учитывать погрешность, вызванную различным положением термобаллона отно­сительно манометра по высоте; погрешность эту можно скомпенсировать  установкой стрелки или пера прибора при помощи механического корректора на нуль или начало шкалы после монтажа термометра на месте.
Жидкость практически несжимаема, поэтому изменение атмосферного давления не влияет на показания прибора.

 

Конденсационные термометры

 

Конденсационные, в которых термобаллон частично заполнен низкокипящей жидкостью, а остальное его пространство запол­нено парами этой жидкости. У конденсационных манометрических термометров возможно появление дополнительных погрешностей:
1) гидростатической (из-за различной высоты расположения термобаллона и мано­метра) ;
2) атмосферной из-за колебания атмосферного давления (особенно для начала шкалы).  
В конденсационных термометрах термобаллон обычно заполняется на 2/3 объема низкокипящей жидкостью. Перед заполнением термометра воздух из системы удаляется. В замкнутой  системе термометра всегда существует 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 результате 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 однозначная зависимость давления насыщенного пара от температуры существует 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 теомометра получается неравномерной. Это — один из его недостатков.
Изменение температуры капилляра и манометрической трубки не влияет на величину давления в системе конденсационного термо­метра; длина капилляра у термометров такого типа ограничивается в основном трением жидкости в капилляре.
Жидкости для заполнения термометров должны быть химически чистыми, а точка кипения их — достаточно низкой, чтобы обеспечить необходимую величину давления в пределах измеряемых температур. Кроме того, они не должны воздействовать химически на материал термометра.
Количество жидкости в термобаллоне не имеет существенного значения. Важно только, чтобы при наиболее низкой измеряемой температуре в термобаллоье было некоторое количество насыщенного пара, а при наиболее высокой температуре оставалось  некоторое количество неиспарившейся жидкости. Термобаллон должен быть заполнен так, чтобь входящий в него открытый конец капиллярной трубки был во всех случаях погружен в жидкость. Нижний предел измерения конденсационным  термометром ограничиваете? достаточной величиной давления пара.
Конденсационные термометры более чувствительны, чем термометры других типов. Объясняется это 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 был значительно больше атмосферного давления.
Основная погрешность различных типов манометрических термометров составляет от ±0,5 до ±2,5% в зависимости от длины капиллярной трубки. При отклонении условий от нормальных возникают дополнительные погрешности, которые определяются расчетом и устраняются особыми приемами, описанными выше.
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 (рис. 3-8). Рабочая часть шкалы располагается в верхней ее половине. Длина соедини­тельного капилляра достигает 60 м. В качестве передаточной жидкости, заполняющей капилляр и манометр конденсационных термометров, чаще всего применяют глицерин (пропантриоль) в смеси со спиртом или водой
Устройство всех типов манометрических термометров аналогично. Они бывают показывающими, самопишущими и контактными.