Автоматизация процессов виноделия - Приборы контроля температуры в виноделии

ГЛАВА 16. ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Технические измерения температуры в СССР осуществляются по стоградусной температурной шкале, получаемой следующим образом. Интервал температур от точки таяния льда 0 до точки кипения воды 100 при нормальном давлении (760 мм рт. ст.) делят на 100 равных частей. Одна сотая часть интервала обозначается знаком °C и читается «градус стоградусной шкалы».
В Международной системе единиц СИ в основу измерений температуры положена термодинамическая шкала Кельвина с началом отсчета от абсолютного нуля, точки, которая находится ниже температуры таяния льда на 273,16 К (градуса шкалы Кельвина).
Значения температуры веществ, определяемой по названым шкалам, связаны соотношением

где Т — температура, К;
t— температура того же вещества, °C.
В виноделии контроль температуры ведется при очень многих процессах: брожении, мадеризации, пастеризации, получении шампанского и коньячного спирта в непрерывно действующих установках и т. д.
Устройства, предназначенные для измерения температур, называются приборами контроля температуры.
Измерение температуры с помощью существующих приборов производится только косвенным методом — фиксированием измерения физических свойств другого, так называемого термометрического тела (ртути, газа, биметаллической пластинки, проволочного сопротивления, термопары и пр.), находящегося в тепловом контакте с измеряемой средой.
Приборы контроля температуры основаны на принципах измерения физических свойств термометрического тела (объемного расширения, давления в замкнутом объеме, интенсивности теплового и светового излучения, электрического сопротивления, термоэлектродвижущей силы) и классифицируются следующим образом:

1. термометры расширения, применяемые в пределах температур от —200 до +500° С;
2. манометрические термометры (—60-+550°С);
3. пирометры излучения (800-4000°С);
4. термометры сопротивления (—200-+650°С);
5. термопары (200-1600° С).

Последние две группы приборов являются весьма распространенными датчиками температуры. Поскольку они уже рассмотрены в гл. 4, ниже остановимся только на вторичных приборах, предназначенных для них.

ТЕРМОМЕТРЫ РАСШИРЕНИЯ

В технических измерениях применяются два вида термометров расширения: жидкостные стеклянные и механические.

ЖИДКОСТНЫЕ СТЕКЛЯННЫЕ ТЕРМОМЕТРЫ

Действие этих приборов основано на использовании ртутностеклянного измерительного элемента (см. рис. 49, д), позволяющего создавать термометры для очень широкого диапазона измерения, от —25 до 500° С. 

Рис. 87. Термометры расширения: а — технический ртутный термометр ТТ-2; б — технический ртутный термометр с изогнутой хвостовой частью; в — схема дилатометрического          термометра; г — схема биметаллического термометра.

При изготовлении приборов для измерений температуры до —200° С в измерительном элементе ртуть заменяется органическими жидкостями (петролейный эфир, толуол, этиловый спирт), объемный коэффициент расширения которых примерно в 6 раз больше, чем у ртути.
На рис. 87, а изображен технический ртутный термометр типа ТТ-2. Он состоит из термобаллона 1, капиллярной трубки 2, шкалы 3, оболочки 4, хвостовой части 5 и пробки 6, залитой гипсом.
При изменении температуры измеряемой среды объем термометрического вещества изменяется в прямо пропорциональной зависимости от нее. Величина измеряемой температуры определяется по положению мениска жидкости в капиллярной трубке.
В современной технике измерений находят применение 10 модификаций технических термометров: ТТ-1 с пределом показаний 0—50°С; ТТ-2 (0—100°С); ТТ-3 (0—150°С); ТТ-4 (0— 200°С); ТТ-5 (0—250°С); ТТ-6 (0—300°С); ТТ-7 (0—350°С); ТТ-8 (0—400°С); ТТ-9 (0—450°С); ТТ-10 (0—500°С). Цена деления шкал этих приборов — от 0,5 до 10° С, хвостовая часть прямая или изогнутая под углом π/4 рад (90°) (рис. 87,б), 2/3π рад (120о) и 135°. Материал оболочки — специальное термометрическое или кварцевое стекло.
К техническим термометрам относятся также ртутные контактные термометры типа ТК (термосигнализаторы), служащие для сигнализации и автоматического позиционного регулирования температуры. Эти устройства имеют впаянные в капиллярную трубку в определенных точках платиновые проволоки (контакты), которые замыкаются ртутью при повышении измеряемого параметра. Допустимая разрывная мощность контактов термосигнализаторов не должна превышать 2 Вт при силе тока 0,2А.
Жидкостные стеклянные термометры изготовляются и как лабораторные приборы. Основное отличие лабораторных термометров в том, что они должны полностью погружаться в измеряемую среду, а к каждому измерению нужно вводить поправку, указываемую в специальном поверочном свидетельстве. Техническими термометрами измерения ведутся без внесения каких-либо поправок и с погружением только хвостовой части.
Существенным недостатком ртутных стеклянных термометров является невозможность применения их в дистанционных передачах: приборы используются только для местного контроля температуры.

МЕХАНИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ

Различают биметаллические и дилатометрические механические термометры.
Измерительные механизмы этих приборов представляют собой измерительные элементы (см. рис. 49,г и в), снабженные пружинно-рычажным устройством с указателем и шкалой.
В дилатометрическом термометре (рис. 87, в) под действием температуры измеряемой среды объекта 1 механическое перемещение на выходе дилатометрического измерительного элемента 2 через пружинно-рычажный механизм 3 передается стрелке 4. Температура отсчитывается по шкале 5.
В биметаллическом приборе (рис. 87,г) стрелке 1 сообщается угловое перемещение относительно шкалы 2 от биметаллического измерительного элемента 5 через рычажный механизм 4.
Описанные измерительные устройства в показывающих приборах применяются очень редко. Зато их часто используют во многих устройствах сигнализации и автоматического регулирования тепловых процессов, например: в биметаллических реле, дилатометрических электрических двухпозиционных терморегулирующих устройствах ТУДЭ и пневматических ТУДП (приборы новой разработки). Последние имеют сравнительно небольшие габаритные размеры, пределы регулирования температуры от —30 до 1100°С, класс точности 2,5 и массу 2—5 кг.

МАНОМЕТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ

При измерении температуры с помощью манометрических термометров используются различные манометрические измерительные элементы (см. показанные на рис. 49, а, б и др.).

Рис. 88. Манометрические термометры:
а — схема манометрического термометра; б — показывающие жидкостные термометры с электрической дистанционной передачей ТПЖ4ЛП; в — бесшкальный термометр с пнев магической дистанционной передачей ТДГ-IX; г — показывающие сигнализирующие паровые термометры ТПП С.
На рис. 88, а представлена одна из распространенных схем манометрического термометра. При нагреве измеряемой средой термобаллона 1 механическое перемещение свободного конца 2 спиральной трубчатой пружины, вызванное увеличением давления термометрического вещества в полости манометрического элемента, передается через рычажный механизм 3 стрелке 4. Отсчет температуры производится по шкале 5. Для уменьшения погрешности измерения от влияния наружной температуры в рычажном механизме термометра может применяться температурный компенсатор 6 в виде изогнутой биметаллической пластинки. Когда изменяется температура окружающей среды, пластинка изгибается так, что перемещение свободного конца пружины под действием этой температуры не влияет на показания прибора.
Капиллярная трубка 7 изготовляется из медной или стальной цельнотянутой трубки с внутренним диаметром, соответственно равным 0,36 и 0,2 мм. От механических повреждений она защищается металлической оплеткой, а в местах присоединения к термобаллону и пружине — дополнительной броней. Длина ее может достигать 50 м.
Материалом для изготовления термобаллона и пружины служит латунь и реже сталь.
В зависимости от вида термометрического вещества, применяемого в замкнутом объеме измерительного элемента, манометрические термометры делятся на жидкостные, газовые и паровые.

ЖИДКОСТНЫЕ МАНОМЕТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ

Термочувствительная система жидкостных манометрических термометров заполняется ртутью, ксилолом или метиловым спиртом. Известно, что в замкнутом постоянном объеме давление жидкости изменяется прямо пропорционально изменению ее температуры. Поэтому рассматриваемые нами термометры имеют равномерную шкалу.
Точность измерения жидкостных приборов существенно колеблется при отклонениях температуры окружающей среды от значений градуировочной температуры. Для того чтобы этого не происходило, применяются температурные компенсаторы и, кроме того, при конструировании объем термобаллона делается в несколько раз больше по сравнению с объемом капиллярной трубки и пружины. Однако сравнительно большие габаритные размеры термобаллона затрудняют установку приборов для контроля температуры непосредственно в трубопроводах и прочих малогабаритных объектах.
В настоящее время внедряются манометрические показывающие жидкостные термометры с электрической дистанционной передачей ТПЖ4-VI (рис. 88,б) (датчики ГСП), предназначенные для дистанционного измерения температуры газов, жидкостей и паров в стационарно установленных объектах с одновременной передачей унифицированного сигнала постоянного тока, пропорционального измеряемой температуре.
Основные технические данные приборов следующие: пределы измерения от —60 до 190 и от 0 до 250° С; класс точности 1 и 1,6; питание от сети переменного тока 220 В; кажущаяся мощность 5 В·А; габаритные размеры корпуса 160X134 мм; масса не более 6 кг.

ГАЗОВЫЕ МАНОМЕТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ

В качестве термометрического вещества в данной группе приборов применяются нейтральные газы: азот или гелий.
Как и у жидкостных приборов, шкала газовых термометров также равномерная, но погрешность измерения у них несколько меньшая, что достигается за счет увеличения объема термобаллона и осуществления частичной температурной компенсации усилия пружины при помощи биметаллической пластинки.
Изготовляются показывающие и самопишущие газовые манометрические термометры типов 04-ТСГ-410; 04-ТСГ-610 (см. гл. 9, стр. 98); ТСГ7-УП и др.
На рис. 88, в показан общий вид бесшкальных манометрических газовых термометров с пневматической дистанционной передачей ТДГ-IX, которые входят в общий комплекс унифицированной системы датчиков ГСП. Они имеют такие основные технические характеристики: пределы измерения от —60 до 320° С; класс точности 1; диапазон изменения выходного сигнала 0,2— 1 кгс/см²; предельное расстояние передачи выходного сигнала 300 м; давление питания 1,4 кгс/см²; давление измеряемой среды до 64 кгс/см²; масса не более 6 кг.

ПАРОВЫЕ МАНОМЕТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ

В этих приборах термометрическими веществами могут служить хлористый метил — для температур в диапазоне 20—120° С; ацетон (50—200° С); бензол (90—200° С) и др.
Термобаллон термометров заполняется термометрической жидкостью на 2/3 объема. В остальной части объема находится насыщенный пар. Полость капиллярной трубки и пружины, как правило, заполняются тем же термометрическим веществом, что и термобаллон.
В паровых приборах под влиянием температуры окружающей среды погрешность измерения практически не возникает, так как давление в термосистеме находится в зависимости только от давления насыщенного пара. Поэтому паровые термометры имеют небольшую длину термобаллона, что позволяет монтировать их в малогабаритных технологических объектах, например, в паропроводе, винопроводе и т. д.
В автоматизации производственных процессов виноделия широкое применение получили электроконтактные паровые манометрические термометры ЭКТ-1 на пределы измерения 0—60 и 100° С. Длина термобаллона этих приборов 65 мм, наружный диаметр 15 мм. Длина капиллярной трубки 1,6—10 м. Класс точности 2,5. Устройство и принцип действия в основном такие же, как и у манометров типа ЭКМ-1, описанных в гл. 13.
В настоящее время получают распространение приборы новой разработки, показывающие сигнализирующие паровые термометры ТПП-С (рис. 88, г) с пределами измерения от 0 до 200° С. Класс точности этих приборов 2,5; длина капиллярной трубки 1,6—16 м; питание от сети переменного тока 220 В, габаритные размеры 160X110X242 мм; масса не более 5 кг. Шкала у термометров неравномерная: сжатая ближе к нулевой отметке и растянутая в конце по причине нелинейной зависимости между давлением насыщенного пара в термобаллоне и его температурой.

ПИРОМЕТРЫ ИЗЛУЧЕНИЯ

Контроль высоких температур (800—4000° С) с помощью пирометров излучения применяется в виноделии главным образом при проведении научно-исследовательских работ, причем для ограниченного количества объектов: лабораторные печи, топки парокотельных установок.
Измерение температуры пирометрами излучения в отличие от других методов производится без соприкосновения измерительного элемента с нагретой средой. Принцип действия этих приборов основан на использовании свойства раскаленных тел излучать поток тепловых и световых лучей. Известно, что интенсивность излучения (количество лучей, приходящихся на единицу площади поперечного сечения потока) находится в пропорциональной зависимости от температуры тела. Следовательно, шкалу прибора, измеряющего интенсивность излучения, можно градуировать в °C.
Следует отметить, что при равных температурах разные тела способны создавать разные по величине потоки лучей. Наибольшее излучение имеют абсолютно черные тела (тела, поглощающие все падающие на них лучи). К таким телам наиболее близко подходят замкнутые топочные пространства паровых котлов и различных печей. Поэтому измерения в указанных объектах получаются всегда с высокой точностью.
По принципу действия пирометры излучения классифицируются на фотоэлектрические, радиационные и оптические.
Действие фотоэлектрических приборов основано на свойстве фотоэлемента изменять возникающий в нем ток пропорционально падающему на него световому потоку лучей от накаленного тела.

Рис. 89. Оптические пирометры излучения
ОППИР-55:
а — внешний вид; б — схема устройства; в, г, д — схемы яркостей нити накаливания.

В радиационных пирометрах поток тепловой энергии, поступающей через оптическую систему от измеряемой среды, нагревает батарею термопар, а далее термоэлектродвижущая сила от батареи подводится к измерительному прибору.
В качестве измерительных приборов как в фотоэлектрических, так и в радиационных пирометрах используются электронные автоматические потенциометры, описываемые ниже.
Работа оптических пирометров излучения типа
ОППИР-55 (рис. 89, а) и др. основана на сравнении яркости исследуемого тела с яркостью источника-эталона — специальной пирометрической лампочки. Комплект данного прибора состоит из телескопа (на рисунке видны только окуляр 1, тубус 2 и рукоятка 3 телескопа), вторичного прибора 4 (милливольтметра), встроенного в телескоп, аккумуляторной батареи 5, соединительных проводов 6 и ящика 7.
На рис. 89,б приводится схема оптических пирометров. В металлической трубе телескопа помещены линза объектива 1, пирометрическая лампочка накаливания 2, окулярная линза 3, красный светофильтр 4, диафрагма 5 и ослабляющий светофильтр 10.
Пирометрическая лампочка получает питание от аккумуляторной батареи 6. Ток в цепи лампочки регулируется вращением рифленого кольца (обозначено позицией 8 на рис. 89, а), с которым связана металлическая щетка (ползунок) проволочного кольцевого реостата 9. На раскаленной нити 5 лампочки будет возникать падение напряжения, пропорциональное яркости ее накала. Для измерения величины падения напряжения служит милливольтметр 7, шкала которого градуирована в °C.
Порядок пользования прибором при измерении следующий:

1. Добиваются четкого изображения ненакаленной нити лампочки в окуляре путем передвижения тубуса в ту или другую сторону.
2. Удерживая прибор за рукоятку 3 (рис. 89,а), направляют телескоп в сторону нагретого тела и путем перемещения тубуса добиваются четкой видимости в окуляр очертания последнего (шуровочного отверстия 11 (рис. 89,б) топки котла).
3. Вводят красный, а при ожидаемой высокой температуре (выше 1200° С) и ослабляющий светофильтры. Кольцо реостата переводят в позицию наибольшего сопротивления.
4. Включают питание от аккумуляторной батареи. Затем, вращая кольцо реостата, регулируют накал нити лампочки до тех пор, пока средняя ее часть (рис. 89, а) исчезнет на освещаемом фоне. Стрелка прибора в такой момент показывает на шкале измеренную температуру. При темном изображении нити лампочки (рис. 89, г) прибор показывает температуру ниже фактической, а при светлом (рис. 89,б) — выше.
5. После окончания отсчета температуры кольцо реостата устанавливают в позицию наибольшего сопротивления и выключают питание лампочки.

Оптическая система прибора позволяет производить измерение на расстоянии 0,7—5 м от источника излучения. Шкала милливольтметра двойная: нижняя ее часть имеет пределы отсчета 800—1400° С, верхняя — 1200—2000° С. Второй диапазон температур измеряется с обязательно введенным ослабляющим фильтром, который ослабляет видимую яркость излучения нагретого тела в несколько раз при неизменной яркости нити пирометрической лампочки, чем и обеспечивается увеличение верхнего предела измерения. Класс точности прибора при измерении температуры тел, близких по своим свойствам к абсолютно черному телу, 1,5. Габаритные размеры телескопа 300х135x290 мм; масса (без аккумулятора) 1,8 кг.
Достоинствами оптических пирометров является сравнительно высокая точность измерения, компактность и простота обращения с ними. В связи с чем современные пирометры новых разработок — это оптические приборы. К ним относятся оптический визуальный пирометр переменного накала «Проминь», визуальный оптический микропирометр ВИМП-066М, лабораторный микропирометр ЛМП-066М.
Диапазон измерения температуры перечисленных приборов 800—4000° С.