1.18 Ионизационный вакуумметр

Работа ионизационных вакуумметров основана на использовании зависимости интенсивности ионизации газа от давления. Устройство такого вакуумметра показано на рис 1.21. В баллоне находится катод, испускающий (эмитирующий) электроны, и сетка, окружающая катод. К аноду лампы подводится отрицательный потенциал порядка 2...5 В. На сетке такой лампы поддерживается положительный потенциал относительно катода порядка 100...200 В.

Сетка ускоряет электроны, летящие от катода к сетке. При сильном разгоне электроны ударяют молекулы газа и ионизируют его. При этом положительные ионы газа, приходят в направленное движение и улавливаются анодом. По току анода судят о степени разреженности газа. Ток анода лампы пропорционален количеству газа в баллоне лампы.

Промышленность выпускает ионизационные вакуумметры ВН-12, измеряющие давление газа в интервалах от до , ИМ-112, МИ-12-8 и т.д.

Недостатком, ограничивающим применение ионизационных вакуумметров, является наличие накального катода, разрушающегося при повышении давления.

1.19 Электроразрядные вакуумметры

П ринцип работы электроразрядных магнитных вакуумметров, рис. 1.22, основан на использовании зависимости тока электрического разряда в магнитном поле от концентрации газа, а следовательно, и его давления. В баллоне, в котором имеется вакуум, расположены катодные пластины и анодное кольцо. Между анодом и катодом создается разность потенциалов 2...3 кВ. Ток, возникающий между анодом и катодом, измеряется в вакууме в микроамперах. Баллон расположен между полюсами постоянного магнита.

Совместное действие электрического и магнитного полей на подвижный заряд приводит к его движению по спирали, следовательно, значительно удлиняется траектория движения заряда. На своем пути заряды высокой энергии ионизируют газ, который увеличивает ток прибора, и, как следствие, его чувствительность. Электроразрядные вакуумметры способны измерять разрежение до .

1.20 Стандартный ряд давлений

Госстандартом определен стандартный ряд давлений, шкалы которых соответствуют следующим пределам измерений:

0 - 1 кгс/см^2	- 1 - 0 - 15 кгс/см^2
0 - 1,6 кгс/см^2	- 1 - 0 кгс/см^2
0-2,5 кгс/см^2	- 1 - 0 - 0,5 кгс/см^2
0-4 кгс/см^2	- 1 - 0 - 1,5 кгс/см^2
0 -6 кгс/см^2	-1 - 0 - 3 кгс/см^2
0- 10 кгс/см^2	-1 - 0 - 5 кгс/см^2
0-16 кгс/см^2	- 1-0-9 кгс/см^2
0-25 кгс/см^2	- 1-0-0,6 кгс/см^2
0-40 кгс/см^2	- 1 - 0 - 24 кгс/см^2
0-60 кгс/см^2	0 - 0,6 кгс/см^2
0- 100 кгс/см^2	0-600 мБар
0- 160 кгс/см^2	0-400мБар
0 - 250 кгс/см^2	0- 160 мБар
0 - 350 кгс/см^2	0-60 мБар
0-400 кгс/см^2	0-40 мБар
0 - 600 кгс/см^2	-1-0-2 Бар
0- 1000 кгс/см^2	-1000 - 0- 1000 Па

СООТНОШЕНИЯ МЕЖДУ ЕДИНИЦАМИ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ

единица	Па	Бар	кгс/см^2	кгс/м^2	мм. рт.ст	psi	атм
1Па	1	10^5	1,01972*10^-5	0,101972	7.5006*10^-3	1.45*10^-4	0,9869*10^-5
1 Бар	10^5	1	1,01972*10^-5	1,01972*10^4	750,06	14,5	0,98692
1 кгс/см^2	9,80665*10^4	0,980665	1	10^4	735,563	14,223	0,96784
1 кгс/см^2 = 1 мм. вод.ст.	9,80665	0,9807*10^-4	10^4	1	7.3556* 10^-2	1,422*10^-3	9.6784*10^-5
1мм.рт.ст	133,32	1,333*10^-3	1,35951*10^-3	13,595	1	0,019337	1.3158*10^3
1psi	6,89476*10^3	6,8948*10^-2	0,070307	704.332	51.7194	1	0,068046
1атм= 760 мм. рт.ст	1,01325*10^5	1,01325	1.0332	1,03508*10^4	760	14.6959	1

СТАНДАРТНЫЙ РЯД ПОГРЕШНОСТЕЙ

Для измерительных приборов, применяемых в промышленности установлен следующий ряд приведенной погрешности:

0,15; 0,25; 0,4; 0,6; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0.

2 ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ

В жизни человека температура играет ведущую роль. Температура тела человека поддерживается с высокой степенью точности (десятые доли градуса), при этом человек может находиться в интервалах температур от -50°С в мороз и до +120°С в парилке бани.

В технологических процессах, особенно в химическом производстве, температуре отводится решающая роль. Так, если не выдержать заданные режимы температуры в зонах варочного котла, температуру щелоков, пара, подшипников валов двигателей, сушильных цилиндров и других элементов технологической цепи, то конечный результат не будет соответствовать требованиям стандарта.

Понятие температуры весьма спорно, так как установившегося определения температуры не существует. Так в молекулярной теории под температурой понимают среднюю кинетическую энергию молекул, которая определяется как:

где k - постоянная Больцмана;

Е - средняя кинетическая энергия молекул;

Т - температура.

Одновременно измерить скорость всех молекул невозможно. Поэтому температура непосредственному измерению не поддается, и её измеряют косвенно, например, по изменению объема жидкости, изменению линейных размеров тел, изменению сопротивления материалов или по изменению ЭДС, возникшей в термопарах. Диапазон приборов, измеряющих температуру, очень широк. Приведем некоторые из них.

2.1 ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ШКАЛЫ

Первая реперная температура - температура таяния льда.

Вторая реперная температура - температура кипения воды при нормальных условиях. Между этими реперными точками установлена шкала температур, за единицу которой принята 1/100 доля указанного диапазона.

Существуют три основные шкалы температур:

1) шкала Цельсия;

2) шкала Кельвина;

3) шкала Форенгейта.

Уравнение Клапейрона, взятое из термодинамики,

PV = RT

Р - давление,

V - объем,

R - универсальная газовая постоянная,

Т - термодинамическая температура.

Тогда температура имеет следующее выражение:

Если объем V = const, то отношение объема к постоянной R есть величина постоянная.

Отсюда можно получить две шкалы:

t - термометрическая шкала,

Т - термодинамическая шкала.

1°С= 1°К

Значение тройной реперной точки = 273,16 °К. Температура таяния льда 273,15 °К

В 1948 году создана международная температурная шкала, которая имеет 6 реперных точек и точку плавления золота, равную 1063 °С.

Средства измерения температуры:

1) стеклянные жидкостные термометры;

2) термометры стеклянные ртутные;

3) термопреобразователи сопротивления;

4) термоэлектрические преобразователи;

5) деформационные;

6) манометрические;

7) пирометры.

2.2. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРИБОРОВ ПО ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ

Нормируется погрешность преобразования R₀ при 0°С

A……….1

B……….2

C……….3

R0	R0	R0

Коэффициент W₁₀₀ - граница нормируемости нижнего предела для платины.

A W₁₀₀= 1,3905

B W₁₀₀=1,3900

C W₁₀₀= 1,3895

ПОВЕРКА СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ.

В общепринятой международной системе единиц (СИ) в качестве температурной шкалы принята термодинамическая международная шкала температур, разработанная Кельвином. В этой шкале, в основу которой заложен второй закон термодинамики, начальной нулевой точкой является точка абсолютного нуля (0°К), а единицей температурного интервала служит градус кельвина °К.

Единственной экспериментальной поверяемой (реперной) точкой для термодинамической шкалы является температура тройной точки воды (находится в твердой, жидкой и газообразной фазе одновременно) при Т= 273,16 °К. Эта шкала создается с помощью образцовых манометрических термометров, наполненных водородом при сильном разрежении, т.е. почти идеальным газом. В этом случае, с учетом поправок на неидеальность реального газа, давление Р в замкнутом объеме V термометра пропорционально абсолютной температуре:

где R - универсальная газовая постоянная.

Для технических измерений допускается Международная Практическая Температурная Шкала (МПТШ). За нулевую точку отсчета принята температура таяния льда Т= 273,15К.

Эта шкала градуируется по ряду реперных точек, температура которых соответствует фазовым превращениям химически чистых образцовых веществ при определенных внешних условиях.

Т(°К) = (t°С+273.15)

2.3 СПОСОБЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

Существуют два основных способа измерения температуры

1) контактный;

2) бесконтактный.

При КОНТАКТНОМ СПОСОБЕ измерение температуры происходит при непосредственном контакте с исследуемым объектом. Недостатки:

1) искажение температуры при внесении термометра в объект;

2) температура всегда имеет погрешность и отличается от истинной величины.

3) сложность измерения температуры во вращающемся и в подвижном объекте.

БЕСКОНТАКТНЫЙ СПОСОБ - основан на восприятии тепловой энергии, передаваемой через лучеиспускание и воспринимаемой на некотором расстоянии от исследуемого объекта. Измерение температуры в большой степени зависит от воспроизведения условий градуировки при эксплуатации, а в противном случае возникают погрешности.

ПО ПРИНЦИПУ ДЕЙСТВИЯ термометры бывают:

1. ТЕРМОМЕТРЫ РАСШИРЕНИЯ - от -260°С до +700°С. Принцип измерения основан на изменении объема жидкостей или линейных размеров твердых тел при изменении температуры.

2. МАНОМЕТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ - от -200°С до +600°С, измеряющие температуру по закону Гей-Люссака. Изменение объема газа при изменении температуры.

3. ТЕРМОМЕТРЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ - -270°С +750°С, в основе преобразования которых лежит зависимость сопротивления от температуры

4. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ (ТЕРМОПАРЫ) - (или пирометры) от -500°С ДО 1800°С Существует зависимость термоЭДС от температуры спая разнородных металлов, или зависимость термоЭДС от интенсивности излучения фотоэлемента.

5. ПИРОМЕТРЫ ИЗЛУЧЕНИЯ от 500°С до 100000°С, основанные на измерении температуры по значению интенсивности лучистой энергии, испускаемой нагретым телом:

A) ПИРОМЕТРЫ ПОЛНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, или радиационные, измеряющие полную лучистую энергию, излучаемую нагретым телом;

Б) ПИРОМЕТРЫ ЧАСТИЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, или яркостные, измеряющие интенсивность монохроматического излучения, т.е. на одной определенной длине волны;

B) ПИРОМЕТРЫ СПЕКТРАЛЬНОГО ОТНОШЕНИЯ, в которых наблюдается отношение интенсивностей излучения на двух длинах волн, т.е. изменение цвета нагреваемого тела.

6. ТЕРМОМЕТРЫ, ОСНОВАННЫЕ НА ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЯХ - от -272°С до +1000°С:

А) ТЕРМОШУМОВЫЕ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ, измеряющие температуры от 1°К до 1000°К по эффекту изменения напряжения электрического шума на активном сопротивлении в определенной полосе частот, которое прямо пропорционально абсолютной температуре объекта, где располагается резистор;

Б) ОБЪЕМНЫЕ РЕЗОНАНСНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ, основанные на изменении частоты колебаний газовых, струйных, кварцевых и других резонаторов от температуры;

В) ЯДЕРНЫЕ РЕЗОНАНСНЫЕ ТЕРМОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ, преобразующие температуру в электрический частотный сигнал на основе зависимости градиентов электромагнитных полей от температуры и др.

2.4 ТЕРМОМЕТРЫ РАСШИРЕНИЯ

2.4. 1 ЖИДКОСТНЫЕ ТЕРМОМЕТРЫ РАСШИРЕНИЯ

- термометры, принцип измерения которых основан на зависимости объема жидкости от температуры, рис. 2.1.

В качестве наполнителей применяют: пектан (-200°С…+20°С); петролейный эфир (-120°С…+25°С); этиловый спирт (-80°С…+70°С); толуол (-90°С…+200°С); керосин (-60°С…+300°С).

При ртутном наполнителе - предел измерения от -39°С до +750°С, но реальная измеряемая температура составляет -35°С…+350°С.

Термометр РТВШП - ртутный термометр с вложенной шкальной пластинкой. Поправка при измерении температуры

где 0,0016 - поправка на тепловое расширение стекла.

n - число делений над уровнем жидкости,

tж - температура жидкости,

- температура окружающей среды.

Формула учитывает знак поправки.

Погрешность при измерении температуры возникает и при образовании мениска прямого или обратного.

Технические термометры бывают прямые, под углом 90°, 120°, 135°.

В производственных условиях ртутные термометры имеют металлическую защиту.

В ряде случаев используется свойство ртути проводить электричество, что применяют в средствах аварийной сигнализации.

2.4.2. КОНТАКТНЫЕ РТУТНЫЕ ТЕРМОМЕТРЫ

В контактных термометрах используется свойство ртути проводить ток. В результате можно получить прибор, в котором контакт используется как устройство, сигнализирующее или регулирующее температуру. При сигнализации и регулировании необходимо использовать слаботочные промежуточные реле, так как при прохождении больших токов через ртуть точность измерения термометра снижения вследствие разогрева ртути током. При управлении нагревателями прибор может быть выведен из строя.

Погрешность измерений ртутных термометров зависит от:

1) величины мениска;

2) температурного дрейфа стекла;

3) глубины погружения термометра в объект;

4) инерционности показаний;

5) зависимости погрешности измерений от барометрического давления.

2.4.3 ДИЛАТОМЕТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ

К числу термометров расширения относятся дилатометрические и биметаллические термометры, в которых линейные размеры тела зависят от его температуры, рис. 2.3.

Д ве пластины из металлов, имеющих различные коэффициенты линейного расширения, жестко скреплены между собой. При повышении температуры один из металлов обычно слабо изменяет свои линейные размеры, а второй имеет высокий коэффициент линейного расширения. Биметаллические термометры нашли широкое применение в системах защиты электродвигателей и автоматических регуляторах температуры - электронагревательных приборах. Диапазон температур биметаллических термометров +50°С…+400°С.

Иногда тонкая пластина из металла скручивается в спираль, и с ростом температуры увеличиваются её линейные размеры. Для биметаллических и дилатометрических термометров наиболее часто применяют сплав инвар, имеющий малый коэффициент линейного расширения, и латунь - с высоким коэффициентом линейного расширения.

В дилатометрических термометрах в полой латунной трубке устанавливается стержень из инвара. Стержень неподвижно крепят внутри латунной трубы, температуру которой следует контролировать. Латунная трубка неподвижно крепится к объекту вместе со стержнем. С ростом температуры

длина стержня не меняется, а длина латунной трубки пропорциональна температуре. Диапазон измерения температуры дилатометрическими термометрами составляет от -60°С до 1000°С. Достоинства - высокая надежность, низкая стоимость, значительная резервная мощность контактов. Недостатки - большая инерционность и зависимость показаний прибора от температуры окружающей среды - погрешность измерений составляет ±4%.

2.4.4. МАНОМЕТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ

О бычно манометрические термометры представляют собой герметичную систему из металлического термобаллона и наполнителя с трубчато-пружинным манометром, рис. 2.4. Материал термобаллона - латунь или нержавеющая сталь.

Известно, что насыщенный пар с ростом температуры при постоянном объеме изменяет давление в замкнутой системе по линейному закону. Из уравнения Клайперона имеем:

,

где R – универсальная газовая постоянная.

Манометрические термометры в зависимости от наполнителя бывают:

1) жидкостные;

2) парожидкостные (конденсатные);

3) газовые.

Внешний вид манометрического термометра с капиллярной трубкой

представлен на рис. 2.5. На циферблате манометра имеются контактные группы установки верхнего и нижнего пределов срабатывания сигнализации. Установка этих пределов производится вручную путем утопления малогабаритной ручки настройки на разную глубину и поворота фиксатором двух контактных указателей, один из которых устанавливает верхний предел, а второй - нижний.

Внешний вид жидкостного манометрического термометра с укороченным капилляром показан на рис. 2.6. Трубка Бурдона с термобаллоном и капиллярной трубкой заполнена жидкостью, изменяющей свое давление под действием температуры. Поскольку измерительная система герметична, в ней начинается рост давления жидкости. Трубка Бурдона под действием давления деформируется, вызывая отклонение стрелки, вращающейся под действием маленького редуктора стрелки. При установке дифференциального трансформатора можно информацию о температуре передать дистанционно.

Характеристики манометрических термометров приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1.

Тип манометра	Наполнитель	Диапазон температур	Длина трубки
Газовый	Осушенный азот	-150…+660	0,6 -60 м
Жидкостный	Метиловый спирт, ксилол,	-80…+320	0,6-10 м
Конденсационный парожидкостный	Ртуть, фреон-22, пропилен, хлористый ме­тан, пропил ацетат, этиловый эфир и т.д.	-50…+300	0,6-25 м
Адсорбционный	Адсорбат: углекислый газ, этан и азот." Адсорбент: активированный уголь.	-150…+ 60	0,6-10 м