Секацкий В.С., Мерзликина Н.В. Методы и средства измерений и контроля

Подождите немного. Документ загружается.

243

16. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУР

Характер протекания многих процессов тесно связан с тепловыми

воздействиями. Поэтому средства измерения температуры находят широкое

применение в промышленности. Результаты измерения температуры часто

дают наиболее важную прямую или косвенную информацию об этих

процессах. Температура – это величина, характеризующая тепловое

(энергетическое) состояние объекта измерений. Температурные измерения

являются необходимой

предпосылкой, определяющей качество, надежность

и экономичность многих технологических процессов.

Процесс передачи тепловой энергии в любой системе физических тел

или в одном теле возникает в результате разностей температур. Различают

три элементарных способа переноса теплоты:

теплопроводность – перенос, обусловленный взаимодействием

микрочастиц соприкасающихся тел, имеющих разную температуру;

конвекция – перенос вследствие пространственного перемещения

вещества. Наблюдается в текучих средах (жидкости, газы) и, как правило,

сопровождается теплопроводностью;

тепловое излучение – перенос посредством электромагнитного поля с

двойным взаимным превращением – теплоты в энергию поля и наоборот.

Распределение температур по всей совокупности точек тела (или

системы тел) называется

температурным полем.

При проведении измерений температуры, выборе метода измерений и

датчика температуры необходимо учитывать температурное поле

объекта измерений, конвективный теплообмен излучением между

датчиком температуры и окружающими его нагретыми поверхностями,

теплопередачу между отдельными элементами датчика температуры,

теплообмен датчика температуры с окружающей средой, степень

вносимых датчиком искажений в температурное поле объекта и другие

факторы.

16.1. Сведения о температуре и температурных шкалах

Температура - величина, которая характеризует степень нагрева тела.

Температура, относящаяся к категории интенсивных физических

величин, требует для своего измерения не только наличия единицы

измерения, но и «шкалы», по которой отсчитывается значение измеряемого

уровня. Единица измерения определяет масштаб такой шкалы.

Температура не поддается прямому измерению, и всякий прибор,

предназначенный для ее измерения,

преобразует температуру в другую,

244

легко измеряемую физическую величину, используя однозначную связь с

температурой выбранного физического (термометрического) свойства

вещества.

Под термином «температурная шкала» принято понимать непрерывную

совокупность чисел, линейно связанных с численными значениями какого-

либо удобно и достаточно точно измеряемого физического свойства,

являющегося однозначной и монотонной функцией температуры. Принцип

построения температурной шкалы следующий. Выбирают какие-либо

две

основные точки, представляющие собой легко воспроизводимые

температуры, неизменность которых обоснована общими физическими

соображениями. Этим температурам приписывают произвольные числовые

значения t

и t

. Температурный интервал t

- t

часто называют основным

интервалом температурной шкалы. Его делят на некоторое целое число N и

часть основного интервала 1/N принимают за единицу измерения

температуры или за масштаб шкалы, экстраполируемый в одну или обе

стороны от основного интервала.

Далее выбирают термометрическое свойство Е. Это свойство условно

принимают линейно связанным с температурой

dt=kdE, (16.1)

где k – коэффициент пропорциональности.

Описанным методом можно построить столько шкал, сколько выбрано

термометрических свойств. Совпадая друг с другом в основных точках, эти

шкалы дают расходящиеся значения температур как внутри интервала, так и

вне его.

В связи с этим возникла проблема создания температурной шкалы,

которая не зависела бы от термометрических свойств веществ. Такая

шкала

была предложена в 1848 году Кельвином и называется термодинамической.

В основу термодинамической шкалы Кельвин взял идеальный цикл Карно, в

котором работа, полученная в этом цикле, зависит только от температур

начала и конца процесса. Таким образом, шкала не зависит от

термометрических свойств, однако для практических измерений она

неудобна: нужно либо измерять

количество теплоты, либо, при

использовании термометров, заполненных реальными газами, вводить для

каждого значения температуры различные поправки.

В настоящее время применяется Международная практическая

температурная шкала (МПТШ). Основной температурой является

термодинамическая температура Т, единица которой кельвин (К) – 1/273,16

часть термодинамической температуры равновесия между твердой, жидкой и

газообразной фазами. Температура Цельсия определяется из выражения

t = T – T

, (16.2)

где T

= 273,15 К.

245

Единица, применяемая для выражения температуры Цельсия – градус

Цельсия (

С), равный кельвину. Разность температур выражают как в

кельвинах, так и в градусах Цельсия. МПТШ выбрана таким образом, чтобы

температура, измеренная по этой шкале, была близка к термодинамической с

точностью, обеспечиваемой современными средствами измерения.

16.2. Методы измерения температур

в инженерном оборудовании

В настоящее время в инженерном оборудовании зданий применяют

различные средства измерения температуры.

В термометрах расширения для измерения температуры используется

тепловое расширение вещества: жидкости, газа или твердого тела, тогда как в

электрических термометрах для определения температуры служат такие

зависящие от температуры величины, как электросопротивление проводника

или термоЭДС термоэлектрического преобразователя.

Зависимость расширения

твердых тел, жидкостей и газов от

температуры называется

термомеханическим эффектом. Он положен в

основу построения твердотельных, жидкостных и газовых термометров

(термометров расширения).

На зависимости электрического сопротивления проводников от

температуры основывается принцип действия термометров сопротивления.

В термоэлектрических термометрах используется эффект Зеебека,

согласно которому при неравенстве температур мест соединения двух

различных проводников, связанных в единый контур, возникает разность

потенциалов, которая может служить

мерой разности температур.

Контактным термометром называется средство измерения

температуры, находящееся в механическом контакте с измеряемым объектом

и предназначенное для выработки сигнала в форме, удобной для восприятия

наблюдателей, автоматической обработки, передачи и использования в

автоматических системах управления.

16.3. Измерение температуры термометрами

Жидкостные стеклянные термометры.

В жидкостных стеклянных термометрах для определения температуры

используется тепловое расширение специальной термометрической

жидкости. Термометрическая жидкость заключена в тонкостенный

стеклянный резервуар, соединенный с капилляром, с которым связана

температурная шкала.

Вследствие различия теплового расширения жидкости и стеклянного

резервуара при изменении температуры изменяется длина столбика

жидкости, находящейся в капилляре.

246

Температура определяется по положению мениска относительно

шкалы, которую наносят либо прямо на стекло капилляра (палочный

вариант), либо на специальную пластину, прочно, но эластично соединенную

с капилляром.

Среди жидкостных термометров наибольшее распространение

получили ртутные стеклянные термометры.

Манометрические термометры.

Принцип действия манометрических термометров основан на

зависимости давления манометрического вещества в герметически

замкнутом объеме от температуры. Манометрические термометры в

зависимости от вида рабочего вещества подразделяются на газовые,

жидкостные и конденсационные.

Их основным элементом является герметично замкнутая термосистема,

состоящая из термобаллона, воспринимающего температуру измеряемой

среды, соединительного дистанционного капилляра и упругого

чувствительного элемента

(пружины).

При измерении температуры термобаллона изменяется давление

внутри манометрической системы, происходит деформация пружины.

Свободное перемещение конца пружины с помощью передаточного

механизма преобразуется во вращение стрелки-указателя относительно

отметок шкалы. Отклонение температуры пружины (температуры среды) от

нормального значения (20

С) компенсируется с помощью

термобиметаллического компенсатора.

Манометрические термометры характеризуются возможностью

дистанционного измерения температуры без использования дополнительной

энергии, простой конструкции, большой надежностью, наличием

равномерной шкалы, взрывобезопасностью и нечувствительностью к

внешним магнитным полям.

Дилатометрические и биметаллические термометры.

В механических термометрах расширения (дилатометрических и

биметаллических) измерение температуры основано на различии

температурных коэффициентов расширения двух

веществ.

В дилатометрических термометрах расширения два стержня из

материалов с разными температурными коэффициентами линейного

расширения одним концом соединены друг с другом, разность перемещения

свободных подвижных концов служит для измерения температуры. В

качестве тел с малым расширением используют стержни из инвара, кварца

или фосфора. Эти стержни помещают в закрытые с одной

стороны

металлические трубки с большим коэффициентом линейного расширения и

закрепляют пайкой.

Такие термометры позволяют измерять температуры от –60 до 3000

С.

Термометры этого типа несмотря на ряд преимуществ (простота устройства,

низкая стоимость, высокая чувствительность и надежность, возможность

контактного измерения высоких температур при наличии электромагнитного

247

поля, сильного газовыделения) для измерения температуры используются

сравнительно редко.

16.4. Термоэлектрический метод измерения температур

Термодинамический метод измерения температур основан на

зависимости термоэлектродвижущей силы от температуры.

Термоэлектрические преобразователи (ТП), или термопары, широко

применяются для измерения температур от -271 до 2500

С в различных

областях техники и в научных исследованиях. В системах инженерного

оборудования ТП используются для измерения температуры воздуха и

жидкости в воздуховодах, помещениях и трубопроводах, для измерения

температуры поверхности, для определения распределения параметров

воздуха по сечению воздуховодов, для определения температуры в точке,

при измерении температуры в труднодоступных местах, при проведении

экспериментальных исследований.

Согласно ГОСТ 6616-74 ТП подразделяются: по способу контакта с

измеряемой средой – на погружаемые и поверхностные; по условиям

эксплуатации - на стационарные, переносные, разового, многократного и

кратковременного применения: по числу зон, в которых должна

контролироваться температура, – на однозначные и многозначные.

16.5. Термометры сопротивления

Принцип действия термометров сопротивления (ТС) основан на

способности различных материалов изменять свое электрическое

сопротивление с изменением температуры.

Термометры сопротивления находят широкое применение в

промышленности, научных исследованиях для измерения температур от -260

до +1100

С. В системах инженерного оборудования зданий ТС широко

используются в качестве датчиков для измерения температуры жидких и

газообразных сред, для дистанционного измерения температуры в

трубопроводах, воздуховодах, в кондиционируемых помещениях, для

изменения, регулирования и контроля температуры.

Термометры сопротивления применяются для автоматического

регулирования температуры газообразных им жидких сред в

терморегуляторах; в системах отопления

и кондиционирования воздуха

помещений бытового и промышленного назначения (например, в системе

регулирования температуры нагрева воды в котлоагрегатах; температуры

теплоносителя в системе отопления; в автоматическом регуляторе

температуры АРТЗ-2А теплоиспользующих установок для изменения

теплопотребления на бойлерных, калориферных и абонентских

отопительных установках жилых и общественных административных

248

зданий). Полупроводниковые ТС используются в термоанемометрах для

измерения скоростей воздуха.

Платиновые и медные термометры сопротивления.

Платиновые термометры в соответствии с ГОСТ 6651-78 для

длительного изменения температуры от –260 до +1100

С. Допустимые

отклонения сопротивления термометров при 0

С от номинального значения

не должны превышать

± 0,05 % для термометров Ι класса; ± 0,1% - для

термометров

ΙΙ класса и ± 0,2 % - для термометров ΙΙΙ класса.

Чистая платина является одним из наиболее распространенных

металлов, используемых для изготовления ТС. Платина отвечает

обязательным требованиям, предъявляемым к материалам для изготовления

ТС.

Медные термометры сопротивления в соответствии с ГОСТ 6651-78

могут применяться для длительного измерения температуры от –200 до

+200

С.

Медь является дешевым материалом, который может быть получен

высокой чистоты в виде тонких проволок в различной изоляции.

Сопротивление меди изменяется с температурой практически линейно.

Чувствительный элемент металлического ТС состоит, как правило, из

проволоки или ленты, которая намотана на каркас из кварца, керамики,

слюды или пластмассы. От чувствительного элемента идут выводы

зажимам головки термометра. Чувствительный элемент ТС выполняется в

виде спирали из проволоки, помещенной в четырехканальный керамический

каркас. Для защиты от механических повреждений и вредного воздействия

измеряемой или окружающей среды чувствительный элемент помещен в

защитную оболочку, которая уплотнения керамической втулкой. Выводы

чувствительного элемента проходят через изоляционную керамическую

трубу. Все это

находится в защитном чехле, установленного не объекте

измерения с помощью резьбового штуцера. На концах защитного чехла

располагается соединительная головка термометра. В головке находится

изоляционная колодка с винтами для крепления выводов термометра и

подключения соединительных проводов. Головка закрывается крышкой.

Соединительные провода выводятся через штуцер. Основные требования,

предъявляемые к техническим ТС: взаимозаменяемость, простота

надежность в работе.

Полупроводниковые термометры сопротивления.

Сопротивление полупроводников с температурой изменяется

значительно сильней, чем у металлов. Температурный коэффициент

большинства терморезисторных полупроводников на порядок, а для

некоторых и на два порядка больше соответствующего среднего значения

для металлов. Для всех полупроводников характерна высокая

чувствительность. Все это позволяет изготавливать очень малые по

размерам

чувствительные элементы ТС. В качестве материалов для

полупроводниковых ТС используются: германий, окислы меди, марганца,

кобальта, магния, титана и их сплавы.

249

В связи с тем, что технология получения полупроводниковых ТС не

позволяет изготавливать их с идентичными характеристиками (они не

отвечают полностью требованию воспроизводимости), все

полупроводниковые термопреобразователи сопротивления имеют

индивидуальные характеристики, они отличаются большим разбросом

параметров и низкой стабильностью во времени. Полупроводниковые

терморезисторы находят широкое применение в системах температурной

сигнализации. Это вызвано тем

, что они обладают способностью изменять

свое сопротивление при достижении определенной температуры

скачкообразно в несколько раз, что вызывает соответствующее увеличение

тока и срабатывание системы сигнализации.

Полупроводники можно разделить на материалы, обладающие

отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (термисторы)

и положительным (позисторы).

Благодаря высокой чувствительности термисторные ТС применяются

для изменения температур в диапазоне от –100

до 300

С.

17. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ТВЕРДОСТИ

Приборы для измерения твердости металлов.

Твердость – сопротивление материала внедрению в его поверхность

стандартного наконечника, который представляет собой твердое

250

малодеформирующееся тело (алмаз, твердый сплав, закаленная сталь)

определенной формы (шар, конус, пирамида, игла) и размеров

Микротвердость – твердость отдельных зерен, физических и

структурных составляющих материала.

Метод определения твердостистальным шариком (по Бринелю).

Заключается во вдавливании на глубину t стального закаленного

шарика определенного диаметра в испытуемый образец под действием

заданной нагрузки в течении определенного времени (ГОСТ 9012-59).

Число твердости HB определяется как среднее давление, выраженное в

кгс на 1 мм

сферической поверхности отпечатка шарика (рис.1), и

вычисляется по формуле:

JDt

HB ==

(17.1)

где P – сила вдавливания в кгс, нормальная к поверхности AB и

установленная в соответствии со стандартом.

F – площадь шаровой поверхности ab отпечатка шарика в мм

Рис. 17.1. Метод определения

твердостистальным шариком (по Бринелю)

Окончательно:

()

[]

dDDJD

−−

(17.2)

где D – диаметр шарика в мм.

P – нагрузка на шарик в кгс.

d – диаметр отпечатка в мм.

Испытания металлов твердостью выше HB 450 этим методом не

производится, т.к. результаты испытания сильно искажаются.

На практике используются специальные таблицы, приложенные к

ГОСТ 9012-59.

Метод определения твердости алмазным конусом (по Роквеллу).

251

Для определения твердости изделий из низкоотпущенной закаленной

стали или твердых сплавов применяются конусные наконечники из алмаза

(ГОСТ 9013-59).

Определение твердости производится вдавливанием в испытуемый

образец алмазного конуса под действием двух последовательно прилагаемых

нагрузок – предварительной в 10 кгс и общей в 60 и 150 кгс.

Число твердости обозначается через HR с добавлением соответственно

искомых A, B, C по которой

производится испытание. Пределы измерения

твердости устанавливаются в таблице.

Метод определения твердости алмазной пирамидой (по Викнерсу).

В испытуемый образец вдавливается правильная четырехгранная

пирамида стандартного размера, имеющая квадратное основание и угол 136

±30’ у вершины. Вдавливание производится под действием стандартной

нагрузки 5, 10, 20, 30, 50 и 100 кгс.

Число твердости определяют:

sinP2

8544,1HV

(17.3)

Этот метод применяется для испытания твердых металлов толщиной до

десятых долей миллиметра.

Определения микротвердости.

Микротвердость определяется для мягких деталей, тонких

металлических лент, проволоки и т.п.

В испытуемый образец, установленный под микроскопом,

вдавливается алмазная пирамида с квадратным основанием. Число твердости

определяется по той же формуле, что и при испытании по Виккерсу.

Числа твердости, полученные при испытании с определенной

нагрузкой, сопровождаются символом Н с указанием в индексе величины

нагрузки в граммах – силах.

Например: Н

= 220 кгс/мм

18. КОНТРОЛЬ ВНУТРЕННИХ И ПОВЕРХНОСТНЫХДЕФЕКТОВ

18.1. Контроль поверхностных дефектов

Поверхностные дефекты изделий могут быть выявлены

непосредственным наблюдением или применением специальных приборов и

приёмов.

Непосредственным наблюдением можно обнаружить только

относительно грубые внешние дефекты на поверхности детали. Мелкие

252

дефекты можно выявить с помощью оптических приборов - лупы,

микроскопа.

Для улучшения видимости дефектов на поверхности часто

применяются травление и обработка порошками. В первом случае улучшение

видимости достигается более сильной растворимостью дефекта или

основного металла.

Обработка порошками улучшает видимость за счет расположения

зёрен порошка по границе дефекта. Если исследуемую деталь погрузить в

жидкость (различные масла) или нанести жидкость на поверхность детали

кистью, то жидкость проникает в полость дефектов и не будет удалена после

протирания поверхности детали.

Для обнаружения невидимых или слабо видимых невооружённым

глазом поверхностных и сквозных дефектов в объектах контроля,

определения их расположения, протяжённости (для дефектов типа трещин) и

ориентации по

поверхности предназначен капиллярный НК. Этот вид

контроля позволяет диагностировать объекты любых форм и размеров,

изготовленные из чёрных и цветных металлов и сплавов, пластмасс, стекла,

керамики, а также других твёрдых неферромагнитных материалов.

Капиллярный контроль применяют также для объектов,

изготовленных из ферромагнитных материалов, если их магнитные свойства,

форма, вид и месторасположение дефектов

не позволяют достичь требуемой

по ГОСТ21105 – 75 чувствительности магнитопорошковым методом или

магнитопорошковый метод контроля не допускается применять по условиям

эксплуатации объекта.

Рассмотрим некоторые методы капиллярного НК.

Метод проникающих растворов.

Жидкостный метод капиллярного НК, основанный на использовании в

качестве проникающего вещества жидкого индикаторного раствора. Он

применяется при контроле как магнитных так и немагнитных

материалов.

Основными достоинствами метода являются: простота, дешевизна,

надёжность и быстрота контроля.

Порядок проведения контроля методом проникающих жидкостей

следующий: защищают поверхность контролируемой детали и погружают

деталь в проникающую жидкость; затем тщательно промывают поверхность

детали и наносят слой проявителя; после этого рассматривают картину

выявленных поверхностных дефектов.

В качестве жидкости используют керосин или

смесь минерального

масла, олеиновой кислоты и ализаринового красителя. В качестве проявителя

используют мел, тальк.

Цветной метод

Основан на регистрации контрастов цветного в видимом излучении

индикаторного рисунка на фоне поверхности объекта контроля. Этот метод

применяется при выявлении дефектов на поверхностях крупных и мелких

деталей.