Прибор для измерения и контроля температуры газовой смеси

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

на дипломный проект "Прибор для измерения и контроля температуры газовой смеси"

200402.130000.000 ТЗ

Руководитель проекта:

Мановец Ю.Н.

Разработал:

ст-т гр. ПМП-52

Згода Д.В.

1. Наименование и область применения

1.1 Прибор для измерения и контроля температуры газовой смеси

1.2 Прибор предназначен для использования в медицинских учреждениях, промышленности, металлургии и сельском хозяйстве.

2. Основания для разработки

2.1 Учебный план по специальности 200402 "Инженерное дело в медико-биологической практике"

2.2 Приказ по университету об утверждении тем дипломных проектов от 24.04.11 № 520-ст

3. Цель и назначение разработки

Прибор для измерения температуры предназначен для измерения газовой смеси в диапазоне 0…500С

4. Источники разработки

4.1 Курсовой проект по дисциплине «Системы автоматического проектирования»;

4.2 Материалы преддипломной практики.

5. Технические требования

5.1 Состав и требования к прибору

5.1.1 Прибор для измерения и контроля температуры газовой смеси состоит из:

- МП-системы;

- блока памяти;

- канала измерительного;

- блока питания.

5.1.2 Габаритные размеры аппарата, мм 230х95х280 мм

5.1.3 Масса аппарата, кг 2,4 кг

5.1.4 Все сборочные единицы и детали, входящие в систему должны иметь антикоррозийное покрытие, соответствующее ГОСТ 9.032-72

5.2 Показатели назначения

5.2.1 Питание от сети переменного тока:

- частота, Гц 50;

- рабочее напряжение 220 В.

5.2.2 Измеряемая величина - температура.

5.2.3 Диапазон измерения 0 - 500С

5.2.4 Интервал измерения 0,20С

5.2.5 Предельное значение погрешности ±0,002

5.3 Требования надежности

Наработка до первого отказа должна составлять не менее 1000 часов работы, при вероятности безотказной работы не менее 0,95

5.4Требование к уровню стандартизации

Уровень стандартизации должен быть не менее 60%

5.5 Требования к технологичности

Прибор должен отвечать техническим требованиям в условиях серийного производства.

5.6 Требования к безопасности

Безопасность при монтаже, эксплуатации и ремонте должна соответствовать ГОСТ 12.2.003-74 ССНТ «Оборудование производства. Общие требования к безопасности»

5.7 Условия эксплуатации

5.7.1 Условия эксплуатации должны соответствовать виду климатического исполнения УХЛ 4.2 ГОСТ 15150

5.7.2 Относительная влажность воздуха, % 60

5.7.3 Температура окружающей среды, С +10- +37

5.8 Эстетические и эргономические требования

5.8.1 На наружных частях не должно быть дефектов, ухудшающих внещний вид и влияющих на эксплуатационные показатели качества.

5.8.2 Окраска должна быть выполнена в оптимальной цветовой гамме, без подтеков, трещин, сколов.

5.8.3 Органы управления должны эргономическим требованиям, предъявляемым к приборам по ГОСТ 12.2.032-78.

5.9 Требования к маркировке и упаковке

5.9.1 Маркировка аппарата должна соответствовать ГОСТ Р 50444-92

5.9.2 Тара и упаковка аппарата должна соответствовать ГОСТ 50444-92

5.10 Требования к транспортировке и хранению

5.10.1 Тара и упаковка аппаратуры должны обеспечивать возможность транспортирования наземным, воздушным и водным транспортом

5.10.2 Условия хранения аппарата в части воздействия климатических факторов должны соответствовать группе 2 ГОСТ 15150:

- относительная влажность воздуха 80% при температуре 25С;

- температура воздуха, С от +10 до +37

5.11 Экономические показатели

- цена продажи аппарата, руб. 16000

- объем продаж за второй год, шт. 100

- объем продаж за второй год, руб. 1600000

- объем безубыточности, руб. 1029230,7

- запас финансовой прочности, руб. 570769,3

5.12 Этапы выполнения работы

5.12.1 Пояснительная записка 24.04.11г.

5.12.2 Графическая часть 23.05.11г.

Содержание

ВВЕДЕНИЕ

1. Обзор методов измерения температуры

1.1 Основные сведения о температуре и температурных шкалах

1.2 Практические температурные шкалы

1.3 Термометры, основанные на расширении и изменении давления рабочего вещества

1.3.1 Термометры стеклянные жидкостные

1.3.2 Технические термометры электроконтактные

1.3.3 Термометры манометрические

2. Обзор методов построения устройств памяти

2.1 Интерфейс памяти с 3 шинами МПС

2.2 Передача адреса и буферированных данных из ПЗУ

2.3 Передача небуферированных данных из ПЗУ

2.4 Передача данных при использовании статических ОЗУ с раздельными линиями ввода и вывода данных

2.5 Передача данных в ОЗУ с общим вводом-выводом данных

2.6 Временная диаграмма обращения к памяти

3. Обзор методов построения источников питания

3.1 Структурные схемы стабилизированных источников вторичного электропитания

3.2 Выбор схем источников вторичного электропитания

4. Организация микросистем

4.1 Понятия организации и архитектуры

4.2 Архитектура типовой микросистемы

4.3 Структура типовой микросистемы

4.4 Регистры микропроцессора

4.5 Адресация данных

5. Описание работы микропроцессорной системы измерения и контроля температуры

6. Описание работы отдельных блоков прибора

6.1 Разработка и описание работы измерительного канала микропроцессорной системы измерения и контроля температуры

6.2 Описание работы и конструкции блока питания

6.3. Описание работы и конструкции процессора центрального

6.4. Описание работы используемого блока памяти

7. Расчет блока питания

7.1 Расчет стабилизатора

7.2 Расчет выпрямителя

7.2.1 Расчет параметров выпрямителя для вторичной обмотки трансформатора с напряжением 5В

7.2.2 Расчет параметров выпрямителя для вторичной обмотки трансформатора с напряжением 15В

7.3 Расчет трансформатора

7.3.1 Определение электромагнитных и электрических нагрузок

7.3.2 Выбор магнитопровода, определение потерь в стали и тока холостого хода

7.3.3 Электрический расчет обмоток трансформатора

7.3.4 Конструктивный расчет обмоток трансформатора

7.3.5 Тепловой режим трансформатора

7.3.6 Определение падения напряжения и к.п.д. трансформатора

8. Расчет надежности

9. Экономическое обоснование прибора для измерения и контроля температуры газовой смеси в форме бизнес плана

9.1 Резюме

9.2 Характеристика прибора для измерения температуры газовой смеси

9.3 Исследование рынка

9.4 План маркетинговых действий

9.5 Производственный план

9.6 Потенциальные риски

9.7 Финансовый план

10. Безопасность и экологичность проекта

10.1 Введение

10.1.1 Физически вредные и опасные факторы

10.1.2 Химически вредные и опасные факторы

10.1.3 Психофизические вредные и опасные факторы

10.2 Расчет вентиляции

10.2.1 Расчет выделений тепла

10.2.2 Расчет необходимого воздухообмена

10.2.3 Определение поперечных размеров воздуховода

10.2.4 Определение сопротивления сети

10.2.5 Подбор вентилятора и электродвигателя

10.3 Акустический расчет

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ВВЕДЕНИЕ

Высокопроизводительная, экономичная и безопасная работа технологических агрегатов в медицинской сфере, металлургической промышленности, сельском хозяйстве требует применения современных методов и средств измерения величин, характеризующих ход производственного процесса и состояние оборудования. Автоматический контроль является логически первой ступенью автоматизации, без успешного функционирования которых невозможно создание эффективных АСУ ТП.

В истории развития мировой техники можно выделить три основных направления: создание машин-двигателей (водяных, ветряных, паровых, внутреннего сгорания, электрических), которые освободили человека от тяжелого физического труда; создание машин-орудий, т.е. станков и технологического оборудования различного назначения; создание устройств для контроля и управления машинами-двигателями, машинами-орудиями и технологическими процессами.

В современной техники для решения задач автоматического контроля все шире применяют полупроводники, лазеры, радиоактивные материалы, ЭВМ. Медицинская сфера является одной из самых важных. В ней занято большое количество трудящихся и от качества их работы зависят жизни людей. И чтобы улучшить качество работы, как раз и используют автоматизированные приборы. Поэтому возрастает роль автоматического контроля и управления производственными процессами. Все основные медицинские оснащены различными системами автоматического контроля и управления и в значительной степени механизированы.

Основными параметрами (величинами), которые необходимо контролировать при работе медицинских аппаратов, является температура различных сред; расход, давление, состав газов и жидкостей. Автоматическими приборами измеряется температура: в медицинских помещениях, в аппарате искусственной вентиляции легких, в рабочих пространствах металлургических печей, выплавляемого и нагреваемого металла, элементов огнеупорной кладки, конструкции регенераторов и рекуператоров, а так же продуктов сгорания топлива.

1. Обзор методов измерения температуры

1.1 Основные сведения о температуре и температурных шкалах

Температура является одним из важнейших параметров технологических процессов. Она обладает некоторыми принципиальными особенностями, что обусловливает необходимость применения большого количества методов и технических средств для ее измерения.

Температура может быть определена как параметр теплового состояния. Значение этого параметра обусловливается средней кинетической энергией поступательного движения молекул данного тела. При соприкосновении двух тел, например газообразных, переход тепла от одного тела к другому будет происходить до тех пор, пока значения средней кинетической энергии поступательного движения молекул этих тел не будут равны. С изменением средней кинетической энергии движения молекул тела изменяется степень его нагретости, а вместе с тем изменяются также физические свойства тела. При данной температуре кинетическая энергия каждой отдельной молекулы тела может значительно отличаться от его средней кинетической энергии. Поэтому понятие температуры является статистическим и применимо только к телу, состоящему из достаточно большого числа молекул; в применении к отдельной молекуле оно бессмысленно.

К пространству со значительно разреженной материей статистические законы неприменимы. Температура в этом случае определяется мощностью потоков лучистой энергии, пронизывающей тело, и равна температуре абсолютно черного тела с такой же мощностью излучения.

Известно, что с развитием науки и техники понятие «температура» расширяется. Например, при исследованиях высокотемпературной плазмы было введено понятие «электронная температура», характеризующее поток электронов в плазме.

Возможность измерять температуру термометром основывается на явлении теплового обмена между телами с различной степенью нагретости и на изменении термометрических (физических) свойств веществ при нагревании. Следовательно, для создания термометра и построения температурной шкалы, казалось бы, возможно выбрать любое термометрическое свойство, характеризующее состояние того или иного вещества и на основании его изменений построить шкалу температур. Однако сделать такой выбор не так легко, так как термометрическое свойство должно однозначно изменяться с изменением температуры, не зависеть от других факторов и допускать возможность измерения его изменений сравнительно простым и удобным способом. В действительности нет ни одного термометрического свойства, которое бы в полной мере могло удовлетворить этим требованиям во всем интервале измеряемых температур.

Воспользуемся, например, для измерения температуры объемным расширением тел при нагревании и возьмем ртутный и спиртовой термометры обычного типа. Если шкалы их между точками, соответствующими температурам кипения воды и таяния льда при нормальном атмосферном давлении, разделить на 100 равных частей (считая за 0 точку таяния льда), то очевидно, что показания обоих термометров ртутного и спиртового будут одинаковы в точках 0 и 100, потому что эти температурные точки были приняты за исходные для получения основного интервала шкалы. Если этими термометрами будем измерять одинаковую температуру какой-либо среды не в этих точках, то показания их будут различны, так как коэффициенты объемного теплового расширения ртути и спирта различно зависят от температуры.

В жидкостно-стеклянных термометрах, применяемых в настоящее время, не приходится сталкиваться с таким расхождением показаний, так как на всех современных термометрах нанесена единая Международная практическая температурная шкала, строящаяся по совершенно другому принципу (способ построения этой шкалы изложен ниже).

Мы встретились бы с теми же затруднениями, если бы попытались осуществить температурную шкалу на основе какой-либо другой физической величины, например электрического сопротивления металлов и т. д.

Таким образом, измеряя температуру по шкале, построенной на произвольном допущении линейной зависимости между свойством термометрического тела и температурой, мы еще не достигаем однозначного численного измерения температур. Поэтому так измеренную температуру (т. е. по объемному расширению некоторых жидкостей, по электрическому сопротивлению металлов и т. д.) обычно называют условной, а шкалу, по которой она измеряется условной шкалой.

Следует отметить, что из числа старых условных температурных шкал наибольшее распространение получила стоградусная температурная шкала Цельсия, градус которой равен сотой части основного температурного интервала. За основные точки этой шкалы приняты точка плавления льда (0) и точка кипения воды (100) при нормальном атмосферном давлении.

В целях дальнейшего усовершенствования условной температурной шкалы проводились работы по изучению возможности использования для измерения температур газового термометра. Для изготовления газовых термометров воспользовались реальными газами (водородом, гелием и другими) и при этом такими из них, которые по своим свойствам сравнительно мало отличаются от идеального.

С помощью газового термометра температура может быть измерена по наблюдению либо за изменением давления газа в зависимости от температуры при постоянном объеме, либо за изменением объема газа в зависимости от температуры при постоянном давлении. Как показали всесторонние исследования, большую точность обеспечивает способ, использующий изменения давления газа в зависимости от температуры при постоянном объеме.

Путь к созданию единой температурной шкалы, не связанной с какими-либо частными термометрическими свойствами и пригодной в широком интервале температур, был найден в использовании законов термодинамики. Независимой от свойств термометрического вещества является шкала, основанная на втором законе термодинамики. Она предложена в середине прошлого века Кельвином и получила название термодинамической температурной Шкалы.

В основании построения термодинамической температурной шкалы лежат следующие положения. Если в обратимом цикле Карно тело, совершающее цикл, поглощает теплоту Q1 при температуре Т1 и отдает тепло Q2 при температуре Т2, то отношение термодинамических (абсолютных) температур Т1/Т2 равно отношению количеств тепла Q1/Q2 Согласно положениям термодинамики значение этого отношения не зависит от свойств рабочего тела.

Термодинамическая температурная шкала Кельвина явилась исходной шкалой для построения температурных шкал, не зависящих от свойств термометрического вещества. В этой шкале интервал, заключающийся между точкой таяния льда и точкой кипения воды (для сохранения преемственности со стоградусной температурной шкалой Цельсия), был разделен на 100 равных частей.

Д. И. Менделеев в 1874 г. впервые научно обосновал целесообразность построения термодинамической температурной шкалы не по двум реперным точкам, а по одной. Такая шкала имеет значительные преимущества и позволяет определять термодинамическую температуру точнее, чем шкала с двумя реперными точками.

Однако термодинамическая температурная шкала, являющаяся чисто теоретической, не открывала еще в первое время путей ее практического использования. Для этой цели необходимо было установить связь термодинамической шкалы с реальными приборами для измерения температур. Из числа измерителей температуры наибольшее внимание заслуживают газовые термометры, показания которых могут быть связаны с термодинамической температурной шкалой посредством введения понятия шкалы идеального газа. Термодинамическая шкала, как известно, совпадает со шкалой идеального газа, если принять при нормальном атмосферном давлении точку таяния льда за 0, а точку кипения воды за 100. Этой шкале было присвоено название стоградусной термодинамической температурной шкалы.

Поскольку свойства реальных газов в широком интервале температур сравнительно мало отличаются от свойств идеального газа, поэтому, зная отступления данного газа от законов идеального газа, можно ввести поправки на отклонения данного газового термометра от термодинамической стоградусной температурной шкалы. Таким образом, для получения температурной шкалы, не зависящей от свойств термометрического вещества, необходимо знать поправки к показаниям газовых термометров, для вычисления которых пользуются зависимостями, вытекающими из второго закона термодинамики. Эти поправки относительно невелики и лежат в пределах от 0,001 до 0,5СС.

Однако газовые термометры могут быть использованы для воспроизведения термодинамической стоградусной температурной шкалы только до температур не выше 1200°С, что не может удовлетворить современным требованиям науки и техники. Использование же газовых термометров для более высоких температур встречает большие технические трудности, которые в настоящее время непреодолимы. Кроме того, газовые термометры являются довольно громоздкими и сложными приборами и для повседневных практических целей весьма неудобными. Вследствие этого для более удобного воспроизведения термодинамической стоградусной температурной шкалы в 1927 г. была принята практическая шкала, которая была названа Международной температурной шкалой 1927 г. (МТШ-27).

Положение о МТШ-27, принятое седьмой Генеральной конференцией по мерам и весам как временное, после некоторых уточнений было принято окончательно в 1933 г. восьмой Генеральной конференцией по мерам и весам. В СССР МТШ-27 введена с 1 октября 1934 г. Общесоюзным стандартом (ОСТ ВКС 6954).

МТШ-27 основана на шести постоянных и воспроизводимых температурах фазовых равновесий реперных точках, которым присвоены определенные числовые значения, и на интерполяционных приборах и формулах, определяющих соотношения между температурой и показаниями этих приборов, градуированных в указанных реперных точках. Числовые значения реперных точек определены с помощью газовых термометров с учетом поправок на отклонение от термодинамической шкалы. Однако числовые значения постоянных точек, полученные в различных метрологических лабораториях ряда стран для одной и той же температуры равновесия, отличались одна от другой, поэтому для каждой температуры равновесия было принято в результате международного соглашения одно наиболее вероятное числовое значение. Вследствие этого МТШ-27 полностью не совпадает с термодинамической и ее следует считать условной, подлежащей пересмотру и исправлению.

В последующие годы производились работы по пересмотру МТШ-27 с целью осуществления более точного согласования с термодинамической шкалой в том виде, как она была принята, но с внесением в нее некоторых улучшений, основанных на уточненных и вновь полученных экспериментальных данных. В результате проведенных работ Консультативным комитетом по термометрии был выработан проект Положения о Международной практической температурной шкале 1948 г. (МПТШ-48), утвержденный девятой Генеральной конференцией по мерам и весам.

Для шкалы с одной реперной точкой необходимо приписать определенное числовое значение единственной экспериментально реализуемой ее точке. Нижней границей температурного интервала будет служить тогда точка абсолютного нуля.

Предельная погрешность воспроизведения точки кипения воды составляет 0,01°С, точки таяния льда 0,001 °С. Тройная же точка воды, являющаяся точкой равновесия воды в твердой, жидкой и газообразной фазе, может быть воспроизведена в специальных сосудах с предельной погрешностью не больше 0,0001 °С.

Учитывая все это и рассмотрев тщательно все числовые результаты, полученные в различных метрологических лабораториях ряда стран, Консультативный комитет по термометрии признал, что наилучшим значением для температуры тройной точки воды, лежащей выше точки таяния льда на 0,01°С, является значение 273,16 К- Десятая Генеральная конференция по мерам и весам в 1954 г. на основании этого установила термодинамическую температурную шкалу с одной реперной точкой -- тройной точкой воды.

Новое определение термодинамической температурной шкалы нашло отражение в «Положении о МПТШ-48. Редакция 1960 г.», принятом одиннадцатой Генеральной конференцией по мерам и весам. Этой шкалой предусматривается применение двух температурных шкал: термодинамической температурной шкалы и практической температурной шкалы. Температура по каждой из этих шкал может быть выражена двояким способом: в градусах Кельвина (К) и в градусах Цельсия (°С) в зависимости от начала отсчета (положения нуля) по шкале.

Методы реализации МПТШ-48 по существу остались неизменными по сравнению с методами реализации шкалы 1927 г. Однако два изменения в определении шкалы 1948 г. дают ощутимые различия в числовом значении измеряемых температур. Для температуры затвердевания серебра предложено значение 960,8°С вместо ранее установленного 960,5°С. Воспроизведение -области шкалы выше точки затвердевания золота (1063°С) предложено осуществлять не по приближенной формуле Вина, а по уравнению Планка. Кроме того, предложено уточненное значение константы излучения с2, входящей в уравнение Планка.

Участок шкалы от --182,97°С до +630,5°С, определяемый эталонным термометром сопротивления, остается в основном без изменений. В интервале от 630,5 до 1063°С числовые значения температуры по уточненной шкале 1948 г. немного выше таковых по шкале 1927 г. Благодаря этому изменению участок шкалы, определяемый эталонным термоэлектрическим термометром, согласуется более надежно не только с участком шкалы, определяемым термометром сопротивления в точке затвердевания сурьмы, но также с областью шкалы выше точки затвердевания золота при применении уточненного значения с2. В СССР МПТШ-48 была введена с 1 июля 1962 г. (ГОСТ 8550-61).

Ввиду большой потребности в измерениях низких температур как в научных исследованиях, так и в технике, длительное время в ряде стран велись работы по установлению температурных шкал ниже 90 К. Исследования в этой области низких температур, выполненные в СССР и других странах, рассмотрены в монографии М. П. Орловой. На базе этих работ в ряде стран были установлены национальные шкалы в области 13,8--90 К. В СССР практическая температурная шкала в области от тройной точки водорода до точки кипения кислорода введена с I/VII 1967 г. (ГОСТ 12442-66). Для реализации практических температурных шкал, воспроизводящих единицу температуры в интервалах от 1,5 до 4,2 К и от 4,2 до 13,81 К, во ВНИИФТРИ были созданы, а Госстандартом СССР утверждены Государственные специальные эталоны единиц температуры для диапазонов от 1,5 до 4,2 К и от 4,2 до 13,81 К (ГОСТ 8.078-73 и ГОСТ 8.084-73). В настоящее время в применяемых в СССР практических температурных шкалах область низких температур расширена до 0,01 К.

Одновременно с проведением исследований в области низких температур проводились работы по пересмотру МПТШ-48 (Редакция 1960 г.).

Международным комитетом мер и весов в октябре 1968 г. была принята новая Международная практическая температурная шкала 1968 г. (МПТШ-68). В ней расширена область низких температур до тройной точки водорода и произведены уточнения шкалы МПТШ-48 в области от --182,97 до 1063°С.

В зарубежной литературе наряду с выражением температуры в Кельвинах (К) и градусах Цельсия (°С) используется иногда градус Фаренгейта (°F) и градус Ренкина (°Pа). Следует иметь в виду, что раньше градус Фаренгейта был характерен для шкал ртутно-стеклянных термометров, а в данное время, так же как и градус Цельсия, он обозначает, что температура выражена по МПТШ, но с другим числовым значением.

1.2 Практические температурные шкалы

В СССР с 1976 г. установлены практические температурные шкалы, предназначенные для обеспечения единства измерений температуры от 0,01 до 100 000 К, и методы их осуществления (ГОСТ 8.157-75). Эти температурные шкалы установлены с учетом рекомендации Международного комитета мер и весов и его Консультативного комитета по термометрии.

Рассматриваемые ниже практические температурные шкалы образуют единую систему температурных шкал, непрерывную от 0,01 до 1 * Ю5 К, реализуемых различными методами. При этом они установлены таким образом, что температуры, изьеренные по ним, близки к термодинамическим температурам.

Единицей температуры по практическим температурным шкалам, установленным ГОСТ 8.157-75, так же как и единицей термодинамической температуры, является кельвин (К), вместо прежнего наименования градус Кельвина. Допускается применение единицы температуры -- градус Цельсия (°С). Между температурой Т, выраженной в кельвинах, и температурой выраженной в градусах Цельсия, установлено соотношение

t = Т-Т0, (1.1)

где T0 = 273,15 К.

Единица кельвин определена как 1/273,16 часть термодинамической температуры тронной точки воды. Градус Цельсия равен Кельвину. Температурные разности (интервалы) выражаются в Кельвинах, но могут быть выражены также в градусах Цельсия вместо ранее применявшегося обозначения град (deg)

Методы воспроизведения практических температурных шкал, рассматриваемых ниже, определяют требования к средствам измерений, входящим в состав государственных эталонов для соответствующих диапазонов температуры.

Температурная шкала термометра магнитной восприимчивости ТШТМВ. Эта температурная шкала, основанная на зависимости магнитной восприимчивости % термометра из церий-магниевого нитрата от температуры Т, устанавливается для диапазона температур от 0,01 до 0,8 К. Зависимость x=F(Т) выражается законом Кюри:

x=C/T (1.2)

где С -- константа, определяемая градуировкой магнитного термометра.

Температурная шкала 3Не 1962г. Эта шкала, основанная на зависимости давления р насыщенных паров изотопа гелия -3 от температуры Т, устанавливается для диапазона температур от 0,8 до 1,5 К.

Температурная шкала 4Не 1958г., основанная на зависимости давления р насыщенных паров изотопа гелия-4 от температуры Т,устанавливается для диапазона температур от 1,5 до 4,2 К.

Температурная шкала германиевого термометра сопротивления ТШГТС. Шкала ТШГТС, основанная на зависимости электрического сопротивления германиевого термометра от температуры Т, устанавливается для диапазона температур от 4,2 до 13,81 K.

Международная практическая температурная шкала 1968 г. (МПТШ-68) устанавливается для температур от 13,81 до 6300 К. Температурная шкала МПТШ-68 основана на ряде воспроизводимых равновесных состояний, которым присвоены точные значения температур -- основных реперных (постоянных) точек, и на эталонных приборах, градуированных при этих температурах. В интервалах между температурами постоянных точек интерполяцию осуществляют по формулам, устанавливающим связь между показателями эталонных приборов и значениями температуры. Основные реперные точки реализуются как определенные состояния фазовых равновесий некоторых чистых веществ.

Для температур от 13,81 до 903,89 К (от -- 259,34 до 630,74°С) в качестве эталонного прибора применяют платиновый термометр сопротивления. Для области температур ниже 0°С соотношение между сопротивлением термометра и температурой определяют стандартной функцией и специальными уравнениями для вычисления поправок к этой функции согласно ГОСТ 8.157-75. Для области от 0 до 630,74°С соотношение между сопротивлением термометра и температурой выражается двумя уравнениями в форме полиномов.

Для температур от 630,74 до 1064,43°С в качестве эталонного прибора применяют термоэлектрический термометр с электродами из платинородия (10% родия) и платины. Соотношение между термо-э. Д. с. и температурой выражается уравнением второй степени.

Для температур от 1337,58 К до 6300 К (от 1064,43 до 6026,85°С) температуру определяют в соответствии с законом излучения Планка.

Температурная шкала пирометра микроволнового излучения (ТШПМИ). ТШПМИ, основанная на зависимости спектральной плотности энергии излучения L(Т) черного тела от температуры Т в микроволновом диапазоне излучения, устанавливается для диапазона температур от 6300 до 100 000 К. Эта зависимость выражается уравнением

L(Т)/L[Т (Аu)] = Т/Т (Аи), (1.3)

где L(Т) и L[Т (Аu)] -- спектральная плотность энергии излучения черного тела в диапазоне микроволнового радиоизлучения при температуре Т и в точке затвердевания золота Т(Аu)

Для построения температурной шкалы по микроволновому излучению используют тепловое излучение с длинами волн более 1 мм.

Передача размера единицы температуры, а вместе с тем и практических температурных шкал от эталонов образцовым средствам измерений и от них рабочим средствам измерений с указанием погрешностей, производится в соответствии с поверочными схемами (ГОСТ 8.082-73, ГОСТ 8.083-73 и др.). В поверочных схемах указаны также основные методы поверки средств измерений температуры.

1.3 Термометры, основанные на расширении и изменении давления рабочего вещества

1.3.1 Термометры стеклянные жидкостные

Термометры стеклянные жидкостные применяются для измерения температур в области от --200 до +750СС. Несмотря на то, что кроме стеклянных жидкостных термометров имеется ряд других приборов для измерения температур, удовлетворяющих в большой степени требованиям современной техники контроля технологических процессов, все же стеклянные термометры получили большое распространение как в лабораторной, так и в промышленной практике вследствие простоты обращения, достаточно высокой точности измерения и низкой стоимости.

Принцип действия стеклянных жидкостных термометров основан на тепловом расширении термометрической жидкости, заключенной в термометре. При этом, очевидно, показания жидкостного термометра зависят не только от изменения объема термометрической жидкости, но также и от изменения объема стеклянного резервуара, в котором находится эта жидкость. Таким образом, наблюдаемое (видимое) изменение объема жидкости преуменьшено на размер, соответственно равный увеличению объема резервуара (и частично капилляра).

Для заполнения жидкостных термометров применяют ртуть, толуол, этиловый спирт, керосин, петролейный эфир, пентан и т. д.

Термометры стеклянные жидкостные по назначению и области применения могут быть разделены на следующие группы: образцовые; лабораторные и специального назначения (ГОСТ 215-57, ГОСТ 13646-68 и ГОСТ 5.1851-73); технические (ГОСТ 2823-73); метеорологические; термометры для сельского хозяйства; термометры бытовые. Ниже будут рассмотрены термометры, применяемые как в лабораторных, так и промышленных условиях.

Стеклянные жидкостные термометры, применяемые в технике, бывают следующих разновидностей:

- термометры, применяющиеся без введения поправок к их показаниям (термометры широкого применения): а) ртутные термометры (от--35 до + 600 С), б) жидкостные термометры с органическим наполнителем (от--185 до + 300°С).

- термометры, к показаниям которых вводятся поправки согласно свидетельству: а) ртутные термометры повышенной точности (от --35 до + 600°С); б) ртутные термометры для точных измерений (от 0 до 500°С); в) жидкостные термометры с органическим наполнителем (от --80 до + 100°С).

В качестве образцовых применяются следующие термометры: (ГОСТ 8.083-73): ртутные равноделенные 1-го разряда с диапазоном измерений 0--600°С (доверительная погрешность ? = 2у = 0,002ч0,2°С); ртутные переменного наполнения 2-го разряда с диапазоном измерений 0--150°С (доверительная погрешность ?= 2у= 0,004ч0,1°С); ртутные 2-го разряда с диапазоном измерений О--600°С (доверительная погрешность ?= 2у= 0,01ч0,10С); ртутные 3-го разряда с диапазоном измерений 0--600°С (доверительная погрешность ?= 2у= 0,03ч3,0°С).

Конструктивные формы стеклянных жидкостных термометров разнообразны, однако среди этого разнообразия можно выбрать два основных типа конструкций: палочные и со вложенной шкалой.

Палочные термометры имеют массивный (толстостенный) капилляр с внешним диаметром 6--8 мм, почти равным диаметру резервуара. Шкала у этих термометров наносится непосредственно на внешней поверхности капилляра.

Характерной особенностью второй конструкции является то, что шкала сделана не на капилляре, а на прямоугольной пластине из стекла молочного цвета, помещенной позади капиллярной трубки, припаянной к резервуару цилиндрической формы. Кроме того, к резервуару припаяна защитная стеклянная оболочка, в которой и находится как капилляр, так и шкальная пластина.

Термометры со вложенной шкалой обладают большей инерционностью, чем палочные, но они более удобны для наблюдения при измерении температур в лабораторных и производственных условиях.

У ртутных термометров с пределом измерения выше 200° С пространство над ртутным столбиком в капилляре заполняется сухим газом (например, азотом) под давлением. При этом давление газа должно быть тем выше, чем больше верхний предел измерения, что обусловливается необходимостью исключить парообразование ртути в резервуаре при высоких температурах. В ртутных термометрах, предназначенных для измерения температуры до 500°С, давление газа достигает свыше 20 кгс/см2 (2МПа). Ртутные термометры, имеющие верхний предел измерения до 200°С, в зависимости от их назначения могут быть вакуумными или заполненными сухим газом (ГОСТ 2045-43). Термометры ртутные, предназначенные для точных измерений, с верхними пределами измерения до 105°С изготовляют вакуумными, а выше 105°С -- газонаполненными (ГОСТ 13646-68).

Термометры жидкостные (нертутные) изготовляют согласно установленным техническим требованиям в государственных стандартах (ГОСТ 9177-59 и др.).

В зависимости от метода градуировки и применения стеклянные жидкостные термометры делятся на две группы: термометры, градуируемые и применяемые при полном погружении; термометры, градуируемые и применяемые при неполном погружении. К первой группе относятся термометры, погружаемые в среду, температура которой измеряется до отсчитываемого деления. Таким образом, по мере повышения измеряемой температуры глубина погружения термометра как при градуировке, так и при измерении должна увеличиваться. Термометры второй группы должны при градуировке и при измерении иметь фиксированную глубину погружения, указанную на термометре. Поэтому при применении этих термометров всегда имеется часть капилляра с термометрической жидкостью, не погруженная в среду, температура которой измеряется. Вследствие этого выступающий столбик термометрической жидкости термометра имеет температуру, отличную от измеряемой и близкую к температуре окружающего воздуха.

Рисунок 1.3.1- Термометры. а - палочный: 1 -- резервуар, 2 -- толстостенный капилляр; 3 -- шкала, нанесенная на внешней поверхности капилляра; б -- со вложенной шкалой: 1 -- резервуар; 2 -- капилляр; 3 -- шкала, нанесенная на пластине из молочного стекла; 4 -- защитная стеклянная оболочка.

Термометры лабораторные широкого применения изготовляют в большинстве случаев со вложенной шкалой рисунок 1.3.1, б, но их выпускают также и палочными рисунок 1.3.1, а. При применении этих термометров они должны погружаться в среду, температура которой измеряется на глубину, обозначенную на термометре. Если указание о глубине погружения на термометре отсутствует, то термометр при измерении температуры или его поверке погружается до отсчитываемого деления. Допускаемые погрешности показаний лабораторных термометров широкого применения нормируются в зависимости от цены деления и температурного интервала шкалы.

Термометры повышенной точности для повышения точности отсчета и для удобства пользования изготовляют узкопредельными, т. е. с укороченной шкалой. Термометры этого типа бывают как со вложенной шкалой рисунок. 1.3.1, так и палочные. Термометры узкопредельные повышенной точности выпускаются с ценой деления 0,1°С и температурным интервалом шкалы 50°С. Они изготовляются в нескольких вариантах по пределам измерения температур от --30 до 3500С. Если нижний предел измерения термометра выше 0°С, то нулевую точку наносят на вспомогательную шкалу, имеющую несколько отметок выше и ниже нулевой. Нулевая отметка обеспечивает систематический контроль за постоянством показаний термометра. Между вспомогательной шкалой и отметкой, соответствующей нижнему пределу основной шкалы, капилляр имеет расширение. Объем этого расширения равен приращению объема жидкости при нагревании термометра от нулевой отметки до температуры, соответствующей нижнему пределу основной шкалы.

Допускаемые погрешности показаний термометров повышенной точности нормируются в зависимости от их цены деления и температурного интервала шкалы.

Лабораторные ртутные термометры ТР-I, ТР-II, ТР-III, ТР-IV, предназначенные для точных измерений температуры от 0 до 500°С выпускают узкопредельные (с укороченной шкалой). Эти термометры, выполняемые с равноделенной шкалой, изготовляют по ГОСТ 13646-68 и ГОСТ 5.1851-73 с различной ценой деления и температурными интервалами шкалы.

1.3.2 Технические термометры электроконтактные

Термометры ртутные электроконтактные применяются для целей сигнализации и регулирования (в простейших схемах) температуры в лабораторных и промышленных условиях. Электроконтактные термометры изготовляют с постоянными впаянными контактами или с одним подвижным контактом, который можно перемещать внутри капилляра при помощи специального магнитного устройства (настройка термометра), и вторым неподвижным контактом, впаянным в капилляр термометра. Замыкание (размыкание) электрической цепи между контактами в том и другом случаях происходит вследствие расширения (сжатия) ртути при нагревании (охлаждении) нижней части термометра. Пространство над ртутью в капилляре заполняют водородом, предварительно очищенным от влаги и кислорода.

Электроконтактные термометры, рассматриваемые ниже, могут работать в цепях постоянного и переменного тока. Определение действительного значения температуры контактирования и контроль за правильностью поддержания температуры должны осуществляться по контрольному термометру.

Термометры электроконтактные стандартные изготовляются прямые и угловые -- изогнутые под углом 90°. При установке термометров непосредственно в аппаратах, агрегатах, трубопроводах и т. п. во избежание поломок рекомендуется заключать их в защитную оправу.

На рисунке 1.3.2 показан термометр ртутный электроконтактный типа ТЭК со вложенной шкалой и постоянными впаянными в капилляр металлическими контактами, к которым припаяны медные провода, присоединенные к зажимам, смонтированным на корпусе термометра. Количество заданных температур контактирования для термометров типа ТЭК в интервале температур от --35 до +300 С может быть одно рисунок 1.3.2, два или три. Контакты впаиваются в капилляр термометра в местах, соответствующих определенным значениям температур контактирования, которые задаются в зависимости от требований технологического процесса. Минимальные интервалы между двумя соседними контактами обычно выполняются не менее 5, 10, 20 и 30°С для температур контактирования соответственно до 50, 100, 200 и 300° С.

Допускаемая погрешность показаний по шкале термометра типа ТЭК не должна превышать цены наименьшего деления. При применении этих термо-етров нижня часть его погружается в среду, температура которой контролируется полностью. Поэтому при выборе шкалы термометра типа ТЭК, а вместе с тем и температуры контактирования необходимо одновременно выбирать длину и форму нижней его части.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1.3.2-Термометр ртутный электроконтактный типа ТЭК 1-- нижняя часть термометра (l); 2 -- металлические контакты, впаянные в капилляр; 3-- зажимы, соединенные с помощью проводников с контактами.

Допускаемые отклонения от отсчета по шкале электроконтактного термометра типа ТПК при его настройке не должны превышать цены наименьшего деления. При применении электроконтактных термометров нижняя его часть погружается в среду, температура которой контролируется, полностью. Кроме того, при выборе шкалы термометра и интервала температур контактирования необходимо одновременно выбрать форму и длину нижней части.

Применяются также электроконтактные ртутные термометры палочные беcшкальные. Они имеют два металлических контакта, впаянных в толстостенный капилляр в местах, соответствующих определенным значениям температур контактирования, которые задаются в зависимости от требований технологического процесса. Например, температура контактирования для термометров, предназначенных для сигнализации температуры подшипников двигателей и других машин, выбирается обычно равной 65°С.

За верхним контактом термометр имеет запасную длину капилляра, допускающую увеличение объема ртути при повышении температуры выше контак-тируемой на 20°С. Электроконтактные палочные термометры могут работать в цепях постоянного и переменного тока. Допускаемая разрывная мощность контактов не должна превышать 2 Вт при силе тока не более 0,2 А.

1.3.3 Термометры манометрические

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 С. Термометры со специальным заполнителем предназначены для измерения температуры от 100 до Ю00°С (ГОСТ 8624-71).

Манометрические термометры изготовляют показывающие и самопишущие. Самопишущие термометры выпускаются с дисковой ленточной диаграммной бумагой. Привод диаграммной бумаги осуществляется синхронным двигателем, а в некоторых модификациях термометров часовым механизмом. Манометрические термометры выпускаются с односторонней, двусторонней и безнулевой шкалой.

Термометры манометрические изготовляются с дополнительным устройством для сигнализации (или регулирования) температуры. Некоторые типы термометров снабжаются передающим преобразователем с выходным унифицированным сигналом постоянного тока О--5 мА или пневматическим передающим преобразователем с выходным унифицированным пневматическим сигналом 0,2--1 кгс/см2 (0,02--0,1 МПа).

Рисунок 1.3.3-Схема устройства показывающего манометрического термометра.

Показывающие и самопишущие манометрические термометры могут быть использованы для измерения температур во взрывоопасных помещениях. В этом случае привод диаграммной бумаги осуществляется часовым механизмом. Если в этих условиях необходимо иметь термометр с дистанционной передачей показаний на вторичный прибор, то она должна быть пневматической.

Схема устройства показывающего манометрического термометра представлена на рис. 1.3.3. Термосистема термометра рисунок. 1.3.3, а состоит из термобаллона 1, погружаемого в среду, температура которой измеряется, капилляра 2 и манометрической пружины 3. Один конец пружины впаян в держатель 4, канал которого соединяет внутреннюю полость манометрической пружины через капилляр с термобаллоном. Второй свободный конец пружины герметизирован и шарнирно с помощью поводка 5 связан с сектором 6. Этот сектор в свою очередь соединен зубчатым зацеплением с трибкой 7, на оси которой насажена указательная стрелка 8. Для выбора зазора в передаточном механизме установлен спиральный волосок 9, конец внутреннего витка которого закреплен на оси трибки.

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 передаточным механизмом (поводком, сектором и трибкой) преобразуется в перемещение указателя относительно шкалы прибора. По положению указателя на шкале термометра производят отсчет температуры.

Следует отметить, что в отличие от газовых и жидкостных термометров у конденсационных (парожидкостных) термометров термобаллон рисунок 1.3.3, б частично заполнен конденсатом (примерно на 0,7--0,75 объема), а в верхней части термобаллона над конденсатом находится насыщенный пар этой жидкости. Кроме того, капилляр у этих термометров вставлен на некоторую глубину внутрь термобаллона. Манометрическая пружина и капилляр термометра заполнены тем же конденсатом, что и термобаллон. Давление в термосистеме конденсационного термометра равно давлению насыщенного пара в термобаллоне. При этом зависимость между давлением насыщенного пара и температурой является вполне определенной, однозначной и известной для конденсата, которым заполнена термосистема термометра. При нагревании термобаллона термометра часть конденсата в его паровом объеме с зеркала испаряется, изменяя давление насыщения до значения, соответствующего температуре конденсата в термобаллоне. Это в свою очередь вызывает повышение давления в термосистеме термометра, под действием которого пружина раскручивается и ее свободный конец с помощью передаточного механизма перемещает стрелку.

Манометрические газовые термометры позволяют измерять температуру от -150 до +600°С. В качестве рабочего вещества в газовых термометрах используется азот. Перед заполнением всей термосистемы термометра азотом термосистема и газ должны быть хорошо просушены. Длина соединительного капилляра этих термометров 0,6--60 м.

При постоянном объеме газа зависимость его давления от температуры определяется выражением

pt=p0(1+вt) (1.4)

где р0 давление газа при температуре 0°С; В -- термический коэффициент давления газа, К-1 [для идеального газа в=1/Т0 = = 0,003661 К-1, а для азота в = (0,003661--0,000013р0) К-1].

При изменении температуры газа в термобаллоне термометра от Tн до ТК будет изменяться и давление газа в соответствии с выражением

рк=рн(1+вtк)/ 1+вtн (1.5)

где рн и рк -- давление газа при температуре, соответствующей началу tн и концу tК шкалы термометра.

Вычитая и прибавляя к правой части уравнения (1.5) значение рнвiн после несложных преобразований получаем:

?p=pк-рн=рвн(tк-tн)/1+вtн (1.6)

Из этого выражения видно, что размер рабочего давления ?p в термосистеме газового термометра прямо пропорционален значению начального давления рн и диапазону измерения (tк-tн) прибора. Следует отметить, что 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 его 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 tк будет меньше подсчитанного по формуле (1.5). Однако эта нелинейность зависимости между р и t не играет существенной роли и шкала газового термометра получается практически равномерной.

Для увеличения рабочего давления ?p (1.6) термосистему газового термометра заполняют азотом под некоторым начальным давлением рн в зависимости от диапазона измерения температуры [с диапазоном измерения О--100°С начальное давление рн ?38 кгс/см2 (3,8 МПа), а с диапазоном измерения 0--600°С-- рн на 15 кгс/ем2 (1,5 МПа). Поэтому колебания атмосферного давления на показаниях газового термометра не сказываются.

Для уменьшения изменения показаний газового термометра, вызываемого отклонением температуры окружающего воздуха от 20°С, устанавливают термобиметаллический компенсатор в тягу передаточного механизма, а также стремятся уменьшить отношение внутреннего объема пружины и капилляра к объему термобаллона. Это достигается увеличением объема, а следовательно, и размеров термобаллона. Например, при длине капилляра от 1,6 до 2,5 м длина корпуса термобаллона термометра выполняется равной 125 мм, а при длине капилляра до 40 м--500 мм. Диаметр термобаллона в том и другом случае равен 20 мм. Ввиду больших размеров термобаллона газовые термометры не везде могут быть применены.

Манометрические конденсационные термометры выпускаются с пределами измерения от --50 до 300°С. В качестве конденсата используется фреон-22 (СНР2С1) от --25 до 80°С, пропилен (С3Н6) -- от --50 до 60°С, хлористый метил (СН3С1) -- от 0 до 125°С, ацетон (С3Н60) -- от 100 до 200°С, этилбензол (С8Н10) -- от 160 до 300С° и т. п. Следует отметить, что однозначная зависимость давления насыщенного пара от температуры имеет место только до определенной температуры, называемой критической. Вследствие этого верхний предел шкалы манометрического конденсационного термометра должен быть всегда ниже критической температуры pкр данного рабочего конденсата. В этом случае рабочее давление в термосистеме термометра также не будет превышать критического давления ркр для выбранного конденсата.

Начальное давление в термосистеме конденсационного термометра для данного рабочего конденсата определяется температурой начальной отметки шкалы и равно давлению насыщенного пара при этой температуре. Например, при использовании хлористого метила (температура кипения -- 24°С, 1кр = 143,8°С, ркр=65,8 кгс/см2) в качестве рабочего конденсата для термометра с диапазоном измерения 0--120°С начальное давление равно примерно 2,6 кгс/см2 (0,26 МПа), а прирост давления при 120° С равен 43,7 кгс/см2 (4,37 МПа). При диапазоне измерения 20--120°С начальное давление равно примерно 4,9 кгс/см2 (0,49 МПа), а прирост давления при температуре 120°С равен 41,5 кгс/см2 (4,15 МПа). Термобаллон конденсационных термометров имеет небольшие по сравнению с газовыми термометрами размеры (длина 78, диаметр 16 мм). Длина соединительного капилляра от 0,6 до 25 м.

Характерной особенностью конденсационных термометров является значительная неравномерность шкалы. Для линеаризации статической характеристики и, следовательно, получения равномерной шкалы некоторые типы манометрических конденсационных термометров (например ТПП2-1) снабжаются специальным дополнительным устройством. Упоры 1 дополнительного устройства 2 подводятся к манометрической пружине 3 с внешней стороны так, что при ее раскручивании пружина последовательно ложится на них, начиная с упора, расположенного рядом с ее закрепленным концом. При этом постепенно все большая часть длины пружины исключается из работы, а вместе с тем вводится нелинейность, которая противоположна нелинейности изменения давления насыщенного пара в термосистеме от температуры. Это и обеспечивает получение равномерной шкалы конденсационного термометра.