Главная Минимаркер Железнодорожный транспорт Минимаркер Транспортная энергетика (хладотранспорт) Минимаркер Измерение температуры

Измерение температуры

Цель лекции: изучение основных понятий, физических принципов и технических средств регулирования и измерения температуры в различных точках грузового помещения вагона и тракта холодильной машины.

Основные понятия и физические принципы

Температура t – физическая величина, характеризующая степень нагретости тела. Она (а также давление) проявляет микроскопическую природу вещества, выводя ее на наглядный микроскопический уровень. Температура выступает как мера интенсивности теплового движения молекул. Для измерения этого параметра состояния изготовляют датчики, в основе которых лежат различные физические эффекты, сопровождающие вариации температуры: изменение объема газовой, жидкой или твердой сред, электрического сопротивления чувствительного элемента, возбуждение термоэлектродвижущей силы, восприятие излучения нагретого тела и др.

Количественное содержание измеренной температуры определяется с помощью именованных шкал, все разнообразие которых можно разделить на 2 класса:

  1. эмпирический (Фаренгейта, Реомюра, Цельсия).
  2. термодинамический (Кельвина, Ренкина).

Температурная шкала Реомюра - практическая шкала, предложенная им в 1730 году. Единица шкалы - градус Реомюра (°R). 1 градус Реомюра равен 1/80 части температурного интервала между точками таяния льда (0°R) и кипения воды (80°R), т. е. 1°R = 1.25°С, 1°C = 0.8°R. Шкала Реомюра вышла из употребления.

Шкалы Фаренгейта и Ренкина получили распространение лишь в англоязычных странах (Великобритания, США и др.). Наиболее употребимой во всем мире является эмпирическая шкала Цельсия, где реперными (узловыми, точными) точками приняты температуры тающего льда (0оС) и кипения (100оС) при нормальном атмосферном давлении. Шкала Кельвина имеет ту же количественную величину шага измерения температур (1 К = 1оС), но ее начало смещено на 273,16 К – в точку абсолютного нуля (прекращения теплового движения молекул), т.е. T = t + 273,16 К. Эта шкала существенна для термодинамического анализа состояний и процессов.

Техническая система для измерения температуры включает в себя три компонента:

  • чувствительные элементы (датчики, первичные преобразователи);
  • промежуточные преобразователи;
  • оконечные приборы (показывающие и регистрирующие приборы).

Датчики температуры (термометры)

Для измерения меры интенсивности теплового движения молекул изготавливают датчики температуры, в основе которых лежат различные физические эффекты, сопровождающие вариации температуры: изменение объема вещества, электрического сопротивления, возбуждение термоэлектродвижущей силы, восприятие излучения нагретого тела и др.

Датчики воспринимают контролируемую величину и преобразуют ее в сигнал, более удобный для практического использования. Ниже перечислены некоторые типы измерительных преобразователей.

Дилатометрические датчики. Используют свойство расширения веществ (твердых, жидких и газообразных) при изменениях температуры.

Измерительная шкала жидкостных термометров (на основе ртути, спирта, толуола и др.) может быть совмещена с чувствительным элементом или вынесена с помощью промежуточного преобразователя (рис. 1). Характерный диапазон измерений: -100…750оС.

Электроконтактный термометр

Рис. 1 Электроконтактный термометр

Электроконтактный термометр состоит из: 1 – ртутный термометр; 2 – щиток; 3 – лампочка; 4 – кнопка включения; 5 – источник питания.

Газовые (манометрические) термометры (рис.2) отражают зависимость давления среды, заполняющей датчик, от изменяющейся температуры в герметичной системе (термобаллон с трубкой Бурдона). Диапазон измерений: -200…550оС.

Манометрический термометр

Рис. 2 Манометрический термометр

Манометрический термометр состоит из: 1 – термобаллон; 2 – манометр; 3 – капиллярная трубка.

Твердотелые (биметаллические) термометры образованы как прочное соединение двух пластинок из металлов с разными коэффициентами линейного расширения. При увеличении температуры одна из пластинок стремиться удлинится, а другая препятствует этому, и биметаллическая пластинка изгибается. Диапазон температур – от -60 до 200оС.

Термометры сопротивления. Измерение температуры термосопротивлениями основано на свойстве проводников и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление при изменении температуры.

Вид функции R = f(t) зависит от природы материала. Для изготовления чувствительных элементов серийных термосопротивлений применяются чистые металлы. Наиболее полно указанным требованиям отвечают: никель, железо, медь и др.

Основной недостаток термосопротивлений: большая инерционность (до 10 мин.).

Для того чтобы произвести измерение температуры наиболее часто применяются термосопротивления типов: ММТ-1, ММТ-4, ММТ-6 (медно-марганцевые); КМТ-1, КМТ-4 (кобальто-марганцевые).

Металлический термометр сопротивления (он представляет собой патрон, имеющий внутри спираль из тонкого медного проводника) называют терморезистором, а полупроводниковый – термистором. У терморезисторов с ростом температуры сопротивление увеличивается (2…3 % на 1оС), а у термисторов – падает (3…5 % на 1оС). Диапазон измерений: -200…500оС.

Термоэлектрические датчики (термопары). Их действие основано на температурной зависимости контактной электродвижущей силы, возникающей в замкнутой цепи двух разнородных металлических проводников (рис. 3). Чувствительный элемент датчика – контакт проводников, находящихся в точке, где необходимо измерить температуру (горячий спай); второе соединение (вне объекта) называют «холодный спай». Характерные материалы термопар: медь-константан, хромель-алюмель, платинородий-платина и др. Диапазон измерений: -200…1600оС.

Термопара

Рис. 3 Термопара

Пирометры излучения. Данные приборы основаны на применении теплового излучения нагретых тел. Верхний предел измерения температуры пирометра излучения практически не имеет ограничений. В основе измерения лежит бесконтактный способ, в результате этого отсутствует искажение температурного поля, вызываемое введением преобразовательного элемента прибора в измеряемую среду. Возможно измерение температуры пламени и высоких температур газовых потоков при больших скоростях. Технические пирометры охватывают диапазон температур от 400 до 4000оС.

Промежуточные преобразователи

Задача промежуточных преобразователей – перевести часто слабый или нелинейный сигнал датчика в пригодный для практического использования сигнал. Измерение производят либо по методу непосредственной оценки (милливольтметром), либо компенсационным методом (потенциометром). Наиболее распространенными промежуточными преобразователями являются электрические мостовые схемы. Мост образуется последовательным соединением четырех электрических сопротивлений в замкнутый контур, который активизируется внешним источником напряжения (постоянного или переменного). При измерении температур применяются уравновешенные и неуравновешенные мосты.

Уравновешенные мосты. К одной из диагоналей уравновешенного моста (рис.4) подключают источник питания, к другой (измерительной диагонали) – гальванометр. Два резистора в плечах имеют постоянное сопротивление (R2, R4), два других – переменное (R1 – регулируемое сопротивление, Rtвоспринимает изменение температуры). Уравнительное сопротивление R1 подбирается так, чтобы R1/R2 = Rt/R4. При этом в измерительной диагонали удовлетворяется условие уравновешенности моста io = 0.

Градируя положение движка реостата 1 в зависимости от температуры, измеренной по образцовому прибору, получают возможность определять значение температуры в месте установки датчика. Так как условие равновесия моста не зависит от уровня напряжения Uab, обеспечивается малая погрешность измерения (порядка 1%) при обычной нестабильности источника.

Схема уравновешенного моста Уитстона

Рис. 4 Схема уравновешенного моста Уитстона: 1 – уравнительное сопротивление; 2 – гальванометр

На рефрижераторном подвижном составе для измерения температуры используют терморезисторы типа РТ (платиновые) и ТСМ – 010 (медные), термисторы типа TNM и MMT.

Неуравновешенные мосты. При большей простоте и надежности по сравнению с уравновешенными, они имеют и более высокое значение погрешности.

Три плеча у моста (рис.5) имеют постоянные сопротивления, а одно (Rt) изменяется при вариациях температуры, но уровень величины iо зависит от напряжения источника питания Uab, что требует его регулированиии стабилизации. Если в качестве датчика температуры используют термистор, то вследствие квадратичной зависимости температурного коэффициента его сопротивления шкала измерительного прибора будет неравномерной. Это неудобно, и обычно схемными средствами добиваются линейной характеристики Rt = f(t).

Схема неуравновешенного моста

Рис. 5 Схема неуравновешенного моста:1 – установочное сопротивление

Примером одной реализаций неуравновешенного моста является логометр. Измерение температуры с его помощью основано на взаимодействии поля постоянного магнита и магнитных полей, вызываемых токами, протекающими в двух крестообразно расположенных многовитковых проволочных рамках подвижной части измерительной система. Рамки подключены к противоположным плечам моста. Термосопротивление включают последовательно в цепь одной из рамок. Плечевые резисторы, кроме Rt, не меняют своего сопротивления. Ток в одном плече и его рамке не меняет своего значения, ток в другом плече определяется сопротивлением термистора Rt, зависящим от температуры.

Стрелка магнитоэлектрического гальванометра отклоняется на угол, определяемый значением температуры, и показывает это значение на отградуированной шкале. Обычно предусматривается возможность подключения к логометру и других измерительных комплектов. Прибор работает с термистором, электрическим контактным термометром, резистором и др.

Показывающие и регистрирующие приборы

При измерении температуры в качестве показывающих и регистрирующих приборов применяются электронные автоматические мосты (ЭПП, КСП и др.), которые работают совместно с платиновыми терморезисторами. В цепь термопар часто включают потенциометры, так как термоэлектродвижущая сила эффекта Зеебека невелика (10…50 мкв/Со). Все более широкое применение находят приборы с цифровой индикацией и регистрацией температуры.

Для автоматической непрерывной регистрации температуры воздуха в груженом рейсе применяют термографы. Термограф (рис. 6) состоит из барабана и датчика (биметаллической пластинки), воспринимающего вариации температуры.

Схема устройства термографа

Рис. 6 Схема устройства термографа

1 – биметаллическая пластинка; 2 – стержень; 3 – рычаг; 4 – вращающийся барабан

Под действием температурных изменений происходит деформация биметаллической пластинки 1, и подвижной ее конец перемещается, механически воздействуя на длинный рычаг 3. Конец рычага 3 с пером в зависимости от колебаний температуры воздуха перемещается вверх или вниз и чертит подаваемый на него чернилами кривую линию на специальной градуированной бумажной ленте. Сменная лента в продольном направлении разделена на сутки и часы, а в поперечном на градусы. Барабан 4 вращается посредством часового механизма, совершая один оборот за одни или несколько суток.

Регулирующие приборы

Терморегулирующий вентиль (ТРВ). Он предназначен для автоматического регулирования подачи жидкого хладагента в испаритель холодильной машины в соответствии со сложившейся тепловой нагрузкой в грузовом помещении рефрижераторного вагона. Наглядным образцом служит рис. 7.

Действие ТРВ зависят от температуры перегрева всасываемых компрессором паров хладагента над температурой кипения жидкого хладагента в испарителе. Увеличение этой разности означает, что количество хладагента, пропускаемого вентилем, меньше необходимого, а при снижении – больше. Таким образом, ТРВ поддерживает постоянный перегрев пара на выходе из испарителя. При отклонении температуры от заданного значения, на которое настроен прибор, изменяется давление в термобаллоне. Импульс по давлению передается через капилляр на мембрану и через нее – на клапан. Перемещение клапана приводит к большему или меньшему открытию проходного сечения для пропуска паров хладона через испаритель, т.е. на всас компрессора. Пружина вместе с регулировочным винтом позволяют задать такое базовое значение проходного сечения клапана, чтобы перегрев паров на выходе испарителя составил 4…7оС

Схема действия терморегулирующего вентиля

Рис. 7 Схема действия терморегулирующего вентиля

1 – регулировочный винт; 2 – пружина; 3 – запорный клапан; 4 – шток; 5 – мембрана; 6 – силовая камера; 7 – капиллярная трубка; 8 – термобаллон; Ро – давление в испарителе ХМ; Рk – давление в конденсаторе ХМ; F – сила сжатия пружины; Рc – противодавление, развиваемое термобаллоном.

Организация измерений температуры в помещении рефрижераторного вагона

Местный контроль над температурой в вагоне может осуществляться на стоянках переносной телетермометрической станцией, подключаемой на период измерений к наружной розетке. Дистанционный контроль обеспечивается из служебного вагона с помощью приборов стационарной телетермометрической станции и автоматически путем фиксации на самопишущих регистрирующих устройствах, датчики которых находятся в грузовом помещении вагона.


© 2013 - 2017 Учебно-образовательный портал "Все лекции"
Материалы, представленные на страницах нашего сайта, созданы авторами сайта, присланы пользователями, взяты из открытых источников и представлены на сайте исключительно для ознакомления. Все авторские права на материалы принадлежат их законным авторам.
Разработка сайта - Скобелев Алексей





Яндекс.Метрика