Динамические характеристики контактных термометров.

Динамические свойства термометра зависят от его конструкции и условий теплообмена с окружающей средой. Если пренебречь влиянием корпуса, то временная характеристика термометра, установленного без защитного чехла, может быть описана дифференциальным уравнением первого порядка, решением которого является зависимость:

,

где k – чувствительность термометра; Т – постоянная времени, которая прямо пропорциональна теплоемкости (с) и массе (m) чувствительного элемента и обратно пропорциональна площади теплообмена (F) и коэффициенту теплоотдачи (α) от измеряемой среды к термометру:

.

В ряде случаев для предотвращения механических повреждений термометры помещают в защитный чехол. Однако это ухудшает их динамические характеристики, что может быть частично компенсировано заполнением маслом пространства между термометром и чехлом. Динамическая характеристика такого термометра описывается дифференциальным уравнением более высокого порядка.

1

2

3

Рис. Конструкция термометра сопротивлений: 1 – чувствительный элемент; 2 – корпус термометра; 3 – защитный чехол

Часто получить точную динамическую характеристику аналитически невозможно из-за сложной взаимной зависимости величин, входящих в уравнение, и ее определяют экспериментально.При этом для упрощения расчетов апериодические звеньявысоких порядков заменяют комбинацией двух звеньев – чистого запаздывания и апериодического первого порядка:

или звеньями чистого запаздывания и апериодического второго порядка:

.

СИ высоких температур. Пирометрия. Виды пирометров.

Пирометры излучения.

Все физические тела, температура которых превышает абсолютный нуль, испускают тепловые лучи. СИ, определяющие температуру тел по их тепловому излучению, называют пирометрами.

Интенсивность теплового излучения резко убывает с уменьшением температуры тел (~Т⁴), поэтому пирометры используются, в основном, для измерений температуры от 300 до 6000 °С и выше. Для измерений температур выше 2200 °С методы пирометрии являются единственными, так как они бесконтактны. Теоретически верхний предел измерения температуры пирометрами излучения неограничен.

Внешняя поверхность тел не только поглощает, но и испускает собственное излучение, зависящее от температуры.

В качестве величин, характеризующих тепловое излучение тел, в пирометрии используется спектральная энергетическая светимость(интенсивность монохроматического излучения )иполная энергетическая светимостьЕ^*:

где - спектральная энергетическая светимость — поток испускаемого излучения Ф_изл с единицы поверхности при температуре Т в единичном интервале длин волн dλ, Вт/м².

гдеЕ* – интегральная излучательность – полная энергия излучения единицы поверхности тела при температуре T в единицу времени для всех длин волн от 0 до ∞. [Вт/м²]

Связь между спектральной энергетической светимостью а.ч.т., его температурой и длиной волны устанавливается законом Планка:

где с₁ и с₂ константы.

ОтношениеЕк единице излучающей поверхности называется яркостью (В):

,

где dω – телесный угол.

Реальные тела обладают меньшей излучательной способностью, чем а.ч.т. и характеризуются степенью черноты:

В зависимости от принципа измерения различают яркостные (оптические, монохроматического излучения), цветовые и радиационные (полного излучения) пирометры.

Яркостные пирометры. Принцип действия основан на сравнении спектральной яркости монохроматического излучения тела со спектральной яркостью градуированного источника излучения. В качестве элемента сравнения служит глаз человека.

Наиболее распространенным является оптический пирометр с исчезающей нитью.

Для измерения температуры объектив 1 направляется на объект ОИ так, чтобы наблюдатель на его фоне увидел в окуляре 7 нить накаливания 4.

Сравнение спектральных яркостей объекта измерения и нити накаливания 4 осуществляется при длине волны 0,65 мкм, для чего перед окуляром установлен красный светофильтр 6. Диафрагмы (входная 3 и выходная 5) ограничивают входной и выходной углы пирометра, оптимальные значения которых позволяют обеспечить независимость показаний прибора от изменения расстояния между объектом измерения и объективом.

Наблюдая за изображением нити накаливания на фоне объекта измерения (светлый фон – темная нить, темный фон – светлая нить) с помощью реостата R_бизменяют силу тока до тех пор, пока яркость нити не станет равной видимой яркости объекта измерения. При этом нить «исчезает» на фоне изображения объекта измерения. В этот момент по шкале миллиамперметра mA,предварительно отградуированного в значениях температуры, определяют яркостную температуру объекта Т_я.Яркостной температурой Т_я реального теланазывают такую температуру абсолютно черного тела, при которой его спектральная яркость равна спектральной яркости реального тела при его действительной температуре Т. Яркостная температура Т_явсегда меньше действительной температуры Т и может достигать нескольких сотен градусов при малых значениях ε_λ(спектральная степень черноты).

Нить накаливания выполнена из вольфрама, который возгоняется при температурах выше 1400°С, поэтому для измерения более высоких температур перед лампой включается ослабляющий серый светофильтр 2.Оптические пирометры предназначены для измерения температур в интервале от 800 до 6000°С. Класс точности оптических пирометров 1,5 – 4,0.

Цветовые пирометры

Принцип действия основан на измерении спектральных энергетических яркостей, соответствующих двум длинам волн.

Длина волны λ_max, соответствующая максимальному значению E_λпри данной температуре, уменьшается с повышением температуры. В соответствии с законом смещения Вина:

λ_maxТ=const=2897

Из рис следует, что при выбранной длине волны с повышением температуры резко возрастает спектральная энергетическая светимость E_λ. Так, для длины волны λ = 0,65 мкм при изменении температуры от 1000 до 2000 К, т. е. в 2 раза, яркость возрастает более чем в 200 раз. Поэтому температура может измеряться с высокой чувствительностью.

Основным преимуществом цветовых пирометров является слабая зависимость показаний от степени черноты объекта измерений.

Диапазон измерений от 1400 до 2800°С. Класс точности 1.

Радиационные пирометры

Определяют температуру по интегральной (полной) светимости.

Интегральная светимостьЕ* может быть получена интегрированием уравнения Планка, во всем диапазоне длин волн. В результате получаем:

где σ₀ – постоянная, равная 5,7·10^-8 Вт/(м²·К⁴).

Зависимость выражает закон Стефана – Больцмана.

Так как значения ε для различных реальных тел различны и зависят от температуры тела, то шкалы радиационных пирометров градуируются поа.ч.т. При измерении температуры реальных объектов радиационный пирометр дает заниженные показания (ε<1), соответствующие некоторой условной температуре, называемой радиационной температурой тела. Реальная температура связана с радиационной соотношением:

Радиационные пирометры имеют самый широкий диапазон измерений: 50 – 2000°С и выше. Измерение температуры радиационными пирометрами основано на улавливании теплового излучения и концентрировании его на термочувствительном элементе с помощью собирательной линзы (рефракторные приборы) или вогнутых зеркал (рефлекторные приборы).

Принцип действия инфракрасного пирометра основан на измерении абсолютного значения излучаемой энергии в инфракрасном спектре на одной длине волны. На сегодня это относительно недорогой бесконтактный метод измерения температуры. Пирометры могут наводиться на объект с любой дистанции, и ограничены лишь диаметром измеряемого пятна и прозрачностью окружающей среды.

Расход. Виды расходов. Единицы измерения. Требования предоставляемые к расходомерам.

Расход– количество вещества (масса или объем), протекающего через данное сечение трубопровода (канала) в единицу времени.Измерения расхода составляют до 15% от общего числа измерений в промышленности. Информация о расходе используется при управлении технологическими процессами для оптимизации их режимов. В последнее время возрастает роль измерений расхода энергоносителей в связи с возрастанием их стоимости и необходимостью контроля эффективности энергосберегающих мероприятий.В зависимости от единицы измерения количества вещества (м³ или кг) различают массовый (кг/с) или объемный расходы (м³/с). В технике часто применяют производные внесистемные единицы – м³/ч, т/ч, л/с и др.

СИ измерений расхода – расходомеры.

Основной элемент расходомера –преобразователь расхода– устройство, непосредственно воспринимающее динамическое воздействие потока и преобразующее его в другую величину (перепад давлений, электрический сигнал и др.), удобную для измерений.Требования к расходомерам.

К расходомерам предъявляют многочисленные и разнообразные требования, которые удовлетворить совместно очень трудно:

· Высокая точность измерения. 20-30 лет назад погрешность измерения в 1,5-2 % считалась приемлемой, теперь нередко требуется иметь погрешность не более 0,2-0,5 %. Такую погрешность обеспечивают электромагнитные, ультразвуковые и кориолисовы расходомеры.

· Высокая надежность. Оценивается временем, в течение которого прибор сохраняет работоспособность и заявленную точность. Это время зависит от типа прибора и от условий его применения. Некоторые расходомеры, не имеющие движущихся частей, могут надежно работать очень долго. Так, трубы Вентури, установленные на водопроводных линиях Санкт-Петербурга, исправно действуют более 60 лет.

· Малая зависимость результата измерений от изменения плотности вещества.В лучшей степени этому требованию отвечают скоростные расходомеры: электромагнитные, объемные счетчики и др, у которых статическая характеристика не зависит от плотности.

· Быстродействие прибора.Это требование важно, когда расходомер применяют в системах автоматического регулирования и при измерении быстроменяющихся расходов.

· Широкий динамический диапазон измерения(G_min/G_max).У электромагнитных расходомеров он может достигать 1:1000. У диафрагменных расходомеров – 1:3.

· Широкий диапазон расходов, подлежащих измерению.Расходы жидкости изменяются в пределах от 1 до10⁸ кг/ч для закрытых каналов (трубопроводов), а газов – в пределах от 10 до 10⁵-10⁶ кг/ч.

· Разнообразие номенклатуры измеряемых веществ,характеризующихся существенно различающимися характеристиками:жидкости, газы и сыпучие, одно- и двухфазные, агрессивные и пожаро- взрывоопасные и т.д., что оказывает влияние на преобразователь расхода и выбор метода измерений. (в основном, разработанные теории применимы к однофазным потокам).

· Обеспеченность метрологической базой.Образцовые расходомерные установки, необходимые для градуировки и поверки различных расходомеров, сложны и дороги, особенно при больших ДУ расходомеров.

· Стоимость.Стоимость расходомеров, в зависимости от принципа измерений и класса точности колеблется от 50 до десятков тысяч долларов.

Большое разнообразие и сложность требований, предъявляемых к расходомерам, явились причиной разработки и создания значительного числа методов измерений и разновидностей этих приборов. Причем часть из них в лучшей степени удовлетворяют одним требованиям, а часть – другим.