Механические термометры

 

Принцип действия механических термометров основан на тепловом расширении твердых тел, линейные размеры которых связаны с температурой зависимостью:

 

,

(1.1)

 

где l₀ – размер при температуре Т₀=273 К, м;

l_т – размер при температуре Т, м;

α – температурный коэффициент длины, К^-1;

Δ Т=Т-Т₀.

Температурные коэффициенты длины некоторых материалов приведены в таблице 1.1

Явление теплового расширения используется в термометрах для преобразования температуры в механическое перемещение (это выполняется чувствительным элементом термометра), которое в дальнейшем может быть преобразовано в отсчет по шкале или в выходной сигнал.

К механическим относятся биметаллические и дилатометрические термометры.

Чувствительным элементом биметаллических термометров является биметаллическая пластина (рисунок 1.1 а), состоящая из двух слоев разнородных материалов, имеющих различные температурные коэффициенты длины. Эти слои жестко скреплены между собой по всей поверхности соприкосновения. При нагревании слои удлиняются на различную величину, и пластина вследствие этого изгибается в сторону с меньшим .

 

Таблица 1.1 - Температурные коэффициенты длины материалов

Материал	α ·106, К-1
Никель Серебро Нихром Медь электролитическая Латунь Инвар (сплав 64% Fe и 36% Ni) Кварц	22, 8 19, 5 17, 0 16, 4 16, 4 2, 5 0, 55

б)

Биметаллические чувствительные элементы могут иметь и более сложную, чем пластина, форму; их возможные конструкции приведены на рисунках 1.1 б – 1.1 г.

	а)		в)		г)

 

Рисунок 1.1 – Конструкции биметаллических чувствительных элементов;

а – пластина; б – скоба; в – плоская спираль; г – винтовая спираль

 

Варианты а и б используются главным образом в температурных реле, а также для температурной компенсации в механических приборах. Варианты в) и г) вследствие больших перемещений свободного конца чувствительного элемента используются для непосредственного отсчета показаний температуры, т.е. в показывающих приборах.

Диапазон измерения биметаллических термометров лежит в интервале от –50 до 600 ⁰С. приведенная погрешность измерения составляет 1-3 %.

В системах управления технологическими процессами биметаллические датчики температуры применяются для контроля наличия пламени и наличия тяги в автоматике регулирования и безопасности газовых тепловых аппаратов, а также в тепловых реле защиты электродвигателей от перегрузки.

На рисунке 1.2 приведена схема биметаллического теплового реле ТРН-10А, предназначенного для защиты электродвигателей от перегрузки.

На штоке 1 подвижно закреплен контактный мостик 2, который в рабочем положении (рисунок 1.2 а) прижат пружиной 11 к неподвижным контактам, соединенным с клеммами А и Б. По этой цепочке через клеммы А и Б обычно подводится питание к обмотке магнитного пускателя. На штоке шарнирно закреплен также рычаг-защелка 3, упирающийся свободным концом в выступ упора 5 и удерживающий шток 1 в нижнем положении. Рычаг-защелка прижимается к упору 5 при помощи пружины 9.

Рисунок 1.2 – Схема теплового реле

a) – состояние до срабатывания; б) – состояние после срабатывания;

1 – шток; 2 – контактный мостик; 3 – рычаг-защелка; 4 – рычаг; 5 – упор;

6 – биметаллическая пластина; 7 – нихромовая спираль; 8, 9, 10, 11 – пружины; 12 – задатчик; 13 – кнопка возврата.

 

Спираль электронагревателя 7 через клеммы В и Г включается последовательно в цепь электродвигателя и через нее таким образом протекает контролируемый рабочий ток. При нарушении нормальной работы электродвигателя и увеличении тока более, чем на 20 % относительно его номинального значения, увеличивается выделяемое электронагревателем 7 количество теплоты. За счет этого повышается температура биметаллической пластины 6, и она изгибается, нажимая через рычаг 4 на рычаг-защелку 3 (рисунок 1.2 б).

б

Рычаг-защелка выходит из зацепления с упором 5, и шток под действием пружины 8 поднимается в верхнее положение, размыкая контактным мостиком 2 цепь обмотки магнитного пускателя и отключая тем самым электродвигатель. Возвращение системы в исходное положение (замыкание контактов) производится после остывания биметаллической пластины нажатием на кнопку 13 штока.

Величину тока срабатывания реле можно настраивать, изменяя положение упора 5 при помощи эксцентрикового задатчика 12.

 

Принцип действия дилатометрических термометров основан на использовании разности теплового линейного расширения двух деталей, выполненных из разнородных материалов с различными . Чувствительным элементом простейшего дилатометрического термометра является латунная трубка, скрепленная с проходящим внутри нее инварным стержнем (рисунок 1.3).

 

Рисунок 1.3 – Схема дилатометрического термометра

1 – латунная трубка; 2 – инварный стержень; 3 – стрелка

 

При нагревании трубка удлиняется значительно больше, чем стержень, т.к. латуни значительно больше, чем инвара (см.табл.1.1). В результате этого перемещение свободного конца стержня будет прямо пропорционально измеряемой температуре и разности температурных коэффициентов длины латуни и инвара:

 

.

(1.2)

 

Конструкция в виде трубки со стержнем используется в дилатометрических температурных реле типа ТРД-1, ТУДЭ, а также в дилатометрическом сигнализаторе температуры СТД, применяющемся для контроля температуры в водонагревателях.

Более широкое применение в тепловом оборудовании нашли дилатометрические терморегуляторы типа ТР-170 и ТР-200. Они используются в системах автоматизации электрических фритюрниц, сосисковарок, водонагревателей, технологических автоматов и т.д.

Чувствительным элементом терморегулятора является латунная трубка 1 (рисунок 1.4). Внутри трубки помещены две инварные пружины 2, изогнутые навстречу друг другу. На пружинах находятся контакты 3, провода от которых выведены в головку терморегулятора. Блок пружин с помощью настроечного винта 4 также крепится к головке. Свободный конец блока пружин входит в зацепление с осью 5, приваренной к дну трубки. Заданное значение температуры устанавливается продольным перемещением блока пружин с помощью винта 4. При этом между свободным концом блока пружин и осью 5 создается зазор . После помещения терморегулятора в среду с контролируемой температурой латунная трубка нагревается и удлиняется. При этом ось 5 перемещается относительно блока пружин, а зазор уменьшается. По достижении заданной температуры зазор полностью выбирается, а дальнейшее повышение температуры вызывает растяжение пружин и размыкание контактов 3.

 

 

Рисунок 1.4 – Схема терморегулятора ТР-200

1 – латунная трубка; 2 – инварные пружины;

3 – контакты; 4 – винт настройки; 5 – ось

 

Разрывная мощность контактов мала и составляет 30 ВА, поэтому терморегуляторы ТР являются регуляторами непрямого действия. Пределы регулируемых температур для ТР-170: 30÷ 170 ⁰С, для ТР-200: 25÷ 200 ⁰С; допустимая абсолютная погрешность 5 ⁰С; зона нечувствительности 5⁰С.

Терморегуляторы ТР-170 и ТР-200 не имеют установочной шкалы, поэтому для их настройки на заданную температуру нужно использовать термометр какого-либо другого типа, например, жидкостный.