ВСТУП

Вимірювання температур поряд з вимірами інших величин має досить важливе значення в науці і техніку. Сучасне промислове виробництво неможливе без температурного контролю. Досить звернути увагу на такі галузі промисловості, як чорна і кольорова металургія, хімічна і нафтопереробна промисловість, у багатьох технологічних процесах яких температурний контроль має вирішальне значення.

Першим приладом, призначеним для температурних вимірів, був повітряний термометр, застосований Галілеєм у 1598 р.

У Росії перші кроки в цьому напрямку були зроблені М.В. Ломоносовим (1711-1765 р.), він, розробляючи молекулярно-кінетичну теорію матерії не тільки правильно сформулював поняття абсолютного нуля температурної шкали, але і розробив термометр, оснований на тепловому розширенні рідин.

Д.И. Менделєєв у 1898 р. організував першу теплову лабораторію при Головній Палаті міри і ваги. Д.И. Менделєєвим були проведені перші роботи з термометрії.

Однак у той далекий час не було установ, що займаються спеціально дослідженнями в області температурних вимірів, як не було і заводів, які випускають прилади для виміру температур. Уся діяльність Головної Палати міри і ваги і її філій зводилася в цій області вимірів тільки до перевірки медичних термометрів.

Ці роботи зараз в основному спрямовані на те, щоб забезпечити єдність і точність передачі одиниці виміру температури від еталона до робочого приладу; розширити межі виміру в області низьких і високих температур і підвищити точність виміру; розробити методи й апаратуру для градуювання і перевірок приладів, які вимірюють температури; створити нові методи виміру температур і нові прилади для задоволення потреб промисловості.

Над створенням нових конструкцій приладів для вимірювання температур і дослідженнями в області температурних вимірів працюють у даний час багато науково-дослідних і конструкторських організацій країни.

Важливі метрологічні роботи були виконані по ВНІІМ І.І. Киренковим, А.Н. Гордовим, Ф.З. Алієвою й іншими співробітниками. Це дослідження з визначення температур реперних точок Міжнародної практичної температурної шкали (МПТШ), метрологічні роботи в області оптичної пірометрії, дослідження нових рівноподілкових ртутних термометрів високої точності.

Дослідження, початі в Харківському науково-дослідному інституті метрології (ХГНІІМ) В.В. Кандибою, В.А. Ковалевським, В.Е. Финкельштейном і іншими, завершилися створенням високоточних зразкових оптичних пірометрів і потім перших у світі спектропірометричних компараторів і приладів. Крім того, розроблені в цьому інституті нові методи екстраполяції до високих температур сприяли значному підвищенню точності виміру і розширенню меж виміру в області високих температур.

В області низьких температур роботи, виконані у Всесоюзному науково-дослідному інституті фізико-технічних і радіотехнічних вимірів (ВНІІФТРІ) П.Г. Стрєлковим. А.С. Боровик-Романовим, М.П. Орловою, Д.Н. Астровим і Д.І. Шаревською, завершилися створенням практичної температурної шкали від 10 до 90° С. У процесі цих робіт була створена нова конструкція газового термометра без шкідливого об`єму, що за своєю точністю й інших метрологічних характеристиках значно перевершує всі прилади, які застосовувались раніше.

Підвищення продуктивності виробництва і покращення якості випускної продукції не можливо без належного метрологічного контролю.

Потужний поштовх розвитку вітчизняного приладобудування пов`язаний з прогресом науки і техніки. Поява нових галузей науки дає можливість створювати нові прилади, які в свою чергу, сприяють подальшому розвитку науки.

На протязі декількох століть прилади створювались і вдосконалювалися силами вчених, винахідників різних областей науки і техніки. Однак, не дивлячись на значний внесок вчених в галузь створення нових приладів задовольняються, головним чином, імпортом.

Бурхливий розвиток промисловості і науково-дослідних структур країни вимагало розширення виробництва приладів, апаратів, пристосувань і інструментів.

Для правильної експлуатації приладів і апаратів в країні були створені і організовані навчальні заклади з інших приладобудівних спеціальностей. Одним з основних для цих спеціальностей являється курс загальних елементів приладів, перетворювачів а апаратів.

Для побудови схем автоматичного контролю і управління використовуються різні типи елементів, так звані проміжні реле, які мають групу контактів замкнутих, розімкнених і переключальних.

За принципом дії вони класифікуються як неелектромагнітні, поляризовані і електронні, а за родом живлення електричним струмом котушок індуктивності – постійного і змінного струмів. Реле різного типу властиві два положення: при відсутності напруги на котушці індуктивності – незбуджений стан і при передачі напруги – збуджений стан, а при переході із одного стану в інший відбувається зміна контактних груп, тобто включається або виключається.

Вітчизняна промисловість випускає широкий ряд реле необхідних для застосування їх в приладобудуванні.

Індустріалізація сільського господарства встановленням біологічного, агрохімічного і технологічного контролю виробництва на всіх його етапах.

При цьому найважливіше значення мають засоби контролю і вимірювання параметрів виробництва, без яких неможливо управляти якістю виробленої продукції.

Роль вимірювальних засобів зростає при створенні автоматизованих виробництв, в тому числі і на тваринницьких комплексах.

Правильність проведених приладами вимірювань і регулювання взаємодій багато в чому залежить від якості і монтажу, технічного обслуговування, а також від кваліфікації слюсарів і монтажників з автоматики.

1. ТЕОРЕТИЧНА ЧАСТИНА

1.1 Призначення, будова та принцип дії рідинних термометрів розширення

Завдяки порівняно високій точності, нескладності пристрою і дешевизні виготовлення скляні рідинні термометри є найбільше розповсюдженими приладами для виміру температур. У залежності від вимог, пропонованих до термометрів, виготовляється багато різних типів і різновидів скляних рідинних (особливо ртутних) термометрів, що відрізняються конструкцією, розмірами, межами виміру й інших технічних характеристик.

Лабораторні термометри загального застосування призначені для вимірів температур у різних лабораторних і виробничих умовах. Дані термометри виготовляються за ГОСТ 215-57 „Термометри лабораторні” і ГОСТ 13646-68 „Термометри скляні ртутні для точних вимірів”.

Технічні термометри загального застосування призначені для вимірювання температур у різних галузях виробництва. Дані термометри виготовляють згідно ГОСТ 2823-59 „Термометри технічні ртутні”. Технічні термометри спеціального застосування призначені для роботи в якій-небудь одній області виміру температур. У цю групу входять термометри: застосовувані при виробництві цукру; акумуляторні; термометри для дезинфекційних камер; електроконтактні з постійною і змінною точками контактування, виготовлені за ГОСТ 9871-61, і деякі інші.

Максимальні ртутні термометри (технічні, метеорологічні, медичні) призначені для виміру найвищої температури за визначений період часу.

Мінімальні термометри (метеорологічні), виготовлені по спеціальному стандарті, призначені для виміру найменшої температури повітря за визначений період часу (наприклад, за добу).

Принцип дії скляних рідинних термометрів заснований на залежності між температурою й об`ємом термометричної рідини, вміщеної в термометрі.

Основними елементами конструкції термометра є: скляний резервуар із припаяним до нього скляним капіляром; термометрична рідина, що заповнює резервуар і частину капіляра; шкала, градуйована в градусах температури, розташована уздовж капіляра.

При підвищенні температури термометра об`єм рідини збільшується, що помітно по зміні довжини стовпчика рідини в капілярі. При цьому забезпечується однозначна залежність між вимірюваною температурою і висотою стовпчика рідини. Таким чином, довжина стовпчика рідини служить мірою вимірюваної температури, а верхній кінець стовпчика - меніск є покажчиком температури.

Зміна об`єму в залежності від температури для будь-якої рідини або твердого тіла характеризується коефіцієнтом об'ємного теплового розширення β. Середнє значення β у температурному інтервалі 0 - t обчислюють по формулі

(1)

де Vt і Vo – об`єми, що відповідають температурам t і 0°С.

У скляному рідинному термометрі при зміні температури змінюється об`єм не тільки термометричної рідини, але й об`єм скляного резервуара. Тому в термометрі спостерігається лише видима зміна об`єму рідини, що дорівнює різниці змін об`ємів рідини і резервуара (і частково капіляра) термометра. У зв'язку з цим при розрахунку конструкції термометра використовують так званий видимий коефіцієнт розширення термометричної рідини в склі β, рівний різниці коефіцієнтів розширення рідини β_р і скла β_ск:

Наприклад, для ртуті β_р =0,00018 l/град, а для скла β_ск = 0,00002 1/град, отже, видимий коефіцієнт розширення ртуті в склі дорівнює 0,00018 - 0,00002 = 0,00016 1/град.

Для визначення залежності між основними параметрами термометра і розмірами елементів його конструкції введемо наступні позначення:

Vo – об`єм термометричної рідини при 0°С;

tн і t - нижня і верхня межі виміру термометра (початок і кінець шкали);

L - довжина шкали (капіляра) між відмітками t_п і t_к;

S - поперечний переріз каналу капіляра (при круглому каналі S = πd²/4, де d - діаметр каналу);

l - довжина градусного інтервалу шкали термометра,

(2)

Збільшення об`єму термометричної рідини при нагріванні термометра від t до t, що витісняється у вимірювальний капіляр, повинен дорівнювати об`єму каналу капіляра між поділками t_п і t_к,

(3)

Із формул (2) і (3) витікає

(4)

Таким чином, довжина градусного інтервалу шкали термометра прямо пропорційна об`єму термометричної рідини (приблизно об`єму резервуара), видимому коефіцієнтові розширення рідини β і обернено пропорційна поперечному перерізу каналу капіляра S) Чим більша довжина градусного інтервалу, тим на більше число поділок може бути розділений градус і тим менша ціна розподілу і відповідно вища чутливість термометра і його точність. Як випливає з формули (2), при фіксованій довжині шкали L збільшення довжини градусного інтервалу може бути досягнуто лише при відповідному зменшенні діапазону шкали t_к – t_п термометра. Найбільш точні і високочутливі скляні ртутні термометри виготовляються з ціною розподілу 0,01-0,02 град і діапазоном шкали від 4-5 до 8-10^оС. Для цих термометрів характерний великий об`єм резервуара і малий діаметр каналу капіляра. Однак мінімальна величина перетину каналу і максимальний обсяг резервуара обмежені певними межами.

Зі зменшенням перетину каналу капіляра зростає відносна величина сили тертя ртуті об його стінки, що діє на ртутний стовпчик при його русі по капіляру. Унаслідок цього у вузьких капілярах стовпчик ртуті рухається нерівномірно, стрибкоподібно, а при зниженні вимірюваної температури може розірватися. Тому при виготовленні ртутних термометрів використовують капіляри з діаметром каналу не менш 0,1 мм. При перевірці й експлуатації термометрів з вузьким каналом капіляра варто уникати вимірів при досить низьких температурах.

Щоб поліпшити видимість стовпчика термометричної рідини і полегшити відлік показників, у термометрах з малим поперечним перерізом каналу капіляра (наприклад, медичних) застосовують капіляри з овальним перерізом каналу або призматичні капіляри, що збільшують видиму ширину ртутного стовпчика.

Резервуари термометрів у більшості випадків виготовляють циліндричної або кулястої форми. При однаковому об`ємі резервуар циліндричної форми має велику поверхню, що знижує теплову інерційність термометра. Резервуари термометрів звичайно не виготовляють більше 2,5 см³. Лише у великогабаритних термометрів, які призначені для вимірювання температуру зовнішнього повітря, резервуари значно перевищують зазначену величину. Термометри ж, що мають широкий діапазон шкали, наприклад 0-600° С, характеризуються малим значенням l і великою ціною поділок шкали.