5 Вопрос Система автоматического управления

 (САУ) поддерживает или улучшает функционирование управляемого объекта. В ряде случаев вспомогательные для САУ операции (пуск, остановка, контроль, наладка и т.д.) также могут быть автоматизированы. САУ функционирует в основном в составе производственного или какого-либо другого комплекса.

         История техники насчитывает много ранних примеров конструкций, обладающих всеми отличительными чертами САУ (регулирование потока зерна на мельнице с т. н. «потряском», уровня воды в паровом котле машины Ползунова, 1765, и т. д.). Первой замкнутой САУ, получившей широкое техническое применение, была система автоматического регулирования с центробежным регулятором в паровой машине Уатта (1784). По мере совершенствования паровых машин, турбин и двигателей внутреннего сгорания всё более широко использовались различные механические регулирующие системы и устройства, достигшие значительного развития в конце 19 — начале 20 вв. Новый этап в А. у. характеризуется внедрением в системы регулирования и управления электронных элементов и устройств автоматики и телемеханики. Это обусловило появление высокоточных систем слежения и наведения, телеуправления и телеизмерения, системы автоматического контроля и коррекции. 50-е гг. 20 в. ознаменовались появлением сложных систем управления производственными процессами и промышленными комплексами на базе электронных управляющих вычислительных машин.

         САУ классифицируются в основном по цели управления, типу контура управления и способу передачи сигналов. Первоначально перед САУ ставились задачи поддержания определённых законов изменения во времени управляемых величин. В этом классе систем различают системы автоматического регулирования (CAP), в задачу которых входит сохранение постоянными значения управляемой величины; системы программного управления, где управляемая величина изменяется по заданной программе; следящие системы, для которых программа управления заранее неизвестна. В дальнейшем цель управления стала связываться непосредственно с определёнными комплексными показателями качества, характеризующими систему (её производительность, точность воспроизведения и т. п.); к показателю качества могут предъявляться требования достижения им предельных (наибольших или наименьших) значений, для чего были разработаны адаптивные, или самоприспосабливающиеся системы. Последние различаются по способу управления: в самонастраивающихся системах меняются параметры устройства управления, пока не будут достигнуты оптимальные или близкие к оптимальным значения управляемых величин; в самоорганизующихся системах с той же целью может меняться и её структура. Наиболее широки, в принципе, возможности самообучающихся систем, улучшающих Алгоритмы своего функционирования на основе анализа опыта управления. Отыскание оптимального режима в адаптивных САУ может осуществляться как с помощью автоматического поиска, так и беспоисковым образом.

         Способ компенсации возмущений связан с типом контура управления системы. В разомкнутых САУ на УУ не поступают сигналы, несущие информацию о текущем состоянии управляемого объекта, либо в них измеряются и компенсируются главные из возмущений, либо управление ведётся по жёсткой программе, без анализа каких-либо факторов в процессе работы. Основной тип САУ — замкнутые, в которых осуществляется регулирование по отклонению, а цепь прохождения сигналов образует замкнутый контур, включающий объект управления и УУ; отклонения управляемой величины от желаемых значений компенсируются воздействием через обратную связь, вне зависимости от причин, вызвавших эти отклонения. Объединение принципов управления по отклонению и по возмущению приводит к комбинированным системам. Часто, помимо основного контура управления, замыкаемого главной обратной связью, в САУ имеются вспомогательные контуры (многоконтурные системы) для стабилизации и коррекции динамических свойств. Одновременное управление несколькими величинами, влияющими друг на друга, осуществляется в системах многосвязного управления или регулирования.

         По форме представления сигналов различают дискретные и непрерывные САУ. В первых сигналы, по крайней мере в одной точке цепи прохождения, квантуются по времени ,либо по уровню, либо как по уровню, так и по времени.

         Простейший пример САУ — система прямого регулирования частоты вращения двигателя . Цель управления — поддержание постоянной частоты вращения маховика, управляемый объект — двигател1; управляющее воздействие — положение регулирующей заслонки дросселя ; УУ — центробежный регулятор , муфта которого смещается под действием центробежных сил при отклонении от заданного значения частоты вращения вала , жестко связанного с маховиком. При смещении муфты изменяется положение заслонки дросселя. Структурная схема рассмотренного примера типична для многих САУ вне зависимости от их физической природы. Описанная система представляет собой замкнутую одноконтурную непрерывную систему автоматического регулирования механического действия, допускающую линеаризации при исследовании.

         Промышленность выпускает универсальные регуляторы, в том числе с воздействием по производной, по интегралу, экстремальные регуляторы, для управления различными объектами. Специализированные САУ широко применяются в различных областях техники, например: следящая система управления копировально-фрезерным станком по жёсткому копиру; САУ металлорежущих станков с программным управлением от магнитной ленты, перфоленты или перфокарты (преимущества такого управления заключаются в относительной универсальности, лёгкости перестройки программы и высокой точности обработки деталей); система программного управления реверсивным прокатным станом, включающая в свой контур управляющую вычислительную машину. В относительно медленных технологических процессах в химической и нефтяной промышленности распространены многосвязные САУ, осуществляющие регулирование большого количества связанных величин; так, при перегонке нефти информация о температуре, давлении, расходе и составе нефтепродуктов, получаемая от нескольких сотен датчиков, используется для формирования сигналов управления десятками различных регуляторов. САУ играют важную роль в авиации и космонавтике, например автопилот представляет собой САУ связанного регулирования, а иногда и самонастраивающуюся систему. В военной технике применяются высокоточные следящие системы, часто включающие вычислительные устройства (например, система углового сопровождения радиолокационной станции). При анализе многих физиологических процессов в живом организме, таких как кровообращение, регуляция температуры тела у теплокровных животных, двигательные операции, обнаруживаются характерные черты САУ .

6 вопросКЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ОБЪЕКТАМИ

Системы управления (СУ) технологическими обректами относятся к сложным системам и могут классифицироваться по различным признакам. Основными из них являются цель и способ управления технологическим объектом, степень участия человека в управлении, место расположения технических средств сбора и обработки информации и степень централизации управления.

Классификация по цели управления. Цель управления при веДении технологических процессов - высокоэффективная работа ТОУ. Эффективность работы оценивается значением критерия управления (КУ) - показателем, характеризующим функционирование ТОУ в целом и принимающим числовые значения в зависимости от возмущающих и управляющих воздействий.

В качестве КУ принимают выходные параметры процесса, характеризующие целевой продукт - его расход (характеризует производительность объекта) или одну из его важнейших характеристик, в том числе качественных. Эффективность массообменных и химических процессов, связанных с химическим превращением вещества,характеризуется выходом целевого продукта.

Чем сложнее и крупнее ТОУ, тем более экономический характер принимает КУ. Для небольшого объекта - насосной, теплообменника - в качестве КУ принимают расход продукта или его температуру, для ректификационной колонны – содержание высококипящего компонента в остатке. Для установки первичной переработки нефти, состоящей из многих теплообменников и ректификационных колонн, критерием становится себестоимость продукции. Для таких ТОУ, как производства полиэтилена (ЭП-300) или каучука, в качестве КУ выбирают прибыль.

По цели управления СУ делятся на стабилизирующие и оптимизирующие.

Целью управлеиия стабилизирующей СУ является поддержание КУ на постоянном, зар'анее заданном значении. Стабилизирующие системы оправданы для простых вспомогательных процессов, критерии управления которых следует поддерживать на значении, определяемом из соображений эффективного ведения основного процесса. Например, .при нагревании исходной смеси, поступающей в ректификационную колонну, КУ является температура смеси на выходе из теплообменника, ее заданное значение будет определяться составом исходной смеси.

При стабилизации КУ основных процессов химической технологии (массообменных, химических) не всегда используются резервы технологической аппаратуры. Для каждой конкретной производственной ситуации существует такое сочетание значений входных и режимных параметров, которое обеспечивает максимально (или минимально) возможное значение КУ.

та,к управлять процессом, чтобы выход увеличился. Поэтому стабилизирующая система оправдана только при автоматизации стационарных объектов, в которые возмущения поступают редко и они незначительны. Для сложных нестационарных ТОУ ,следует применять оптимизирующие системы.

Оптимизирующие СУ поддерживают КУ не на заранее заданном значении, а на экстремальном для создавшейся произвоственной ситуации (наличие сырья и полуфабрикатов, их качественные показатели, состояние технологического оборудования, оперативные директивы вышестоящего руководства и т. д.) при соблюдении ограничивающих условий. Последние обусловлены тем, что критерий (который в этих системах может называться критерием оптимальности) характеризует процесс только с одной, правда, наиболее важной стороны. При оценке полlюй эффективности процесс а необходимо иметь в виду и другие параметры целевого продукта. Например, если в качестве КУ при ректификации выбран состав остатка, то ограничивающие условия накладываются на производите,lIЬНОСТЬ колонны по остатку и по его себестоимости. Производителыюстъ должна быть не ниже, а себестоимость не выше заданных значений; в противном случае можно получить сверхчистый продукт, но в небольшом количестве или с очень высокими затратами.

Ограничивающие условия накладываются и на те параметры, изменения которых ограничены технологическим режимом: давление в аппарате не должно быть выше определенного предела, иначе произойдет разрыв стенки аппарата; расход потока лимитируе'Гся пропускной способностью трубопроводов и т. д.

Оптимизирующие системы значительно более сложны, чем стабилизирующие. Они базируются на экстремальных регуляторах или на ЭВМ. Экстремальные регуляторы работают по принципу «поиска» и служат для достижения экстрема':Льного значения КУ. Выполнение ограничивающих условий обеспечивается или самим экстреМ,альным регулятором, или специальными стабилизирующими регуляторами.

При использовании ЭВМ предварительно составляют систему уравнений зависимости КУ от параметров процесса, взаимозависимости параметров, неравенства ограничивающих УСЛ0ВИЙ (подробнее см. разд. 2.2). "

Классификация по способу управления. Способ управления характеризует алгоритмы формирования управляющих воздействий по достижению цели управления. По этому признаку системы делятся на замкнутые, разомкнутые и комбинированные.

В замкнутых системах управления воздействия формируются в зависимости от отклонения текущего значения КУ от заданного. Одним управляющим воздействием компенсируются все возмущения. Однако замкнутые системы не препятствуют проникновению в ТОУ возмущающих воздействий, а только реагируют на IЦ последствия - изменения КУ. в связи с этим в: случае сложных ТОУ, подверженных многочисленным возмущения, замкнутые СУ не могут обеспечить высокого качества управления.

Разомкнутые СУ формируют управляющие воздействия в зависимости от возмущений. Устанавливаются, например, регуляторы, стабилизирующие входные параметры процесса, тем самым ликвидируются возмущения по этим каналам. При этом, несмотря на то, что СУ содержит замкнутые контуры регулирования, она остается разомкнутой, так как значения К,У не используются для формирования управляющих воздействий.

Достоинства разомкнутых систем в том, что возмущающие воздействия ликвидируются до поступления в ТОУ. В результате КУ равен заданному значению. Однако ликвидировать все возмущения, как правило, практически невозможно, поэтому использование таких систем чаще всего не дает большого эф-фекта.

В комбинированных системах используют принцип формирования управляющих воздействий и разомкнутых, и замкнутых систем. В основу комбинированной системы положена замкнутая система, а для улучшения качества управления часть возмущений ликвидируется дополнительными регуляторами. Частным случаем таких систем являются многоконтурные САР, в которых формирование управляющих воздействий осуществляется от нескольких параметров: главной регулируемой величины (КУ) и одной или нескольких вспомогательных, характеризующих возмущения.

Комбинированные системы наиболее распространены в химической промышленности; их используют для управления хи" мическими, массообменными и теплообменными процессами.

Классификация по степени участия человека в управлении.

Степень участия человека в управлении технологическими объектами определяется сложностью и масштабностью ТОУ, целью управления, а также комплексом технических средств СУ.

Так, при автоматизации простого объекта управления (смесителя, отстойника, транспортной системы и т. П.) со стабилизацией какой-либо физико-химической величины управление может осуществляться полностью автоматически, без привлечения технологического персонала. Такую СУ называют системой автоматического управления (САУ).

Крупные ТОУ с реализацией оптимального режима и сложНЫХ функций по программно-логическому управлению, защите. пуску и останову оборудования могут управляться лишь человеком на основе современных методов управления с помощью ЭВМ и средств сбора, передачи и хранения информации.

руют на IЦ последствия - изменения КУ. в связи с этим в: случае сложных ТОУ, подверженных многочисленным возмущеНИШ.'I, замкнутые СУ не могут обеспечить высокого качества управления.

Разомкнутые СУ формируют управляющие воздействия в зависимости от возмущений. Устанавливаются, например, регуляторы, стабилизирующие входные параметры процесса, тем самым ликвидируются возмущения по этим каналам. При этом, несмотря на то, что СУ содержит замкнутые контуры регулирования, она остается разомкнутой, так как значения К,У не используются для формирования управляющих воздействий.

Достоинства разомкнутых систем в том, что возмущающие воздействия ликвидируются до поступления в ТОУ. В результате КУ равен заданному значению. Однако ликвидировать все возмущения, как правило, практически невозможно, поэтому использование таких систем чаще всего не дает большого эффекта.

В комбинированных системах используют принцип формирования управляющих воздействий и разомкнутых, и замкнутых систем. В основу комбинированной системы положена замкнутая система, а для улучшения качества управления часть возмущений ликвидируется дополнительными регуляторами. Частным случаем таких систем являются многоконтурные САР, в которых формирование управляющих воздействий осуществляется от нескольких параметров: главной регулируемой величины (КУ) и одной или нескольких вспомогательных, характеризующих возмущения. Комбинированные системы наиболее распространены в химической промышленности;

их используют для управления хи" мическими, массообменными и теплообменными процессами.

ботка информации, необходимой для реализации функций управления, осуществляется с применением современных средств автоматизации и вычислительной техники, называется автоматизированной системой управления технологическим процессом

(АСУТП). .

На человека в АСУТП возлагается наиболее сложная операция управления - принятие решения по изменению режимов работы ТОУ и СУ на основе данных, предоставленных ему ЭВМ и поступающим по другим каналам. ЭВМ же осуществляет сбор и передачу информации, контроль за ее достоверностью, анализ информации по определенным алгоритмам, подготовку управленческого решения. При таком синтезе сочетаются интеллект человека, математический аппарат и возможности вычислительной техники.

Классификация по месту расположения технических средств сбора и обработки информации. Средства автоматизации, с помощью которых представляется и обрабатывается информация (\ ТОУ, а гакже осуществляется воздействие на теХНОЛогический процесс, могут быть сосредоточены как непосредственно у технологического оборудования (местное управление) в виде отдельно установленных пультов и щитов, так и в специально выделенном пункте. Из этих пунктов осуществляется дистанционное управление, т. е. управление на расстоянии. Непосредственно на технологических аппаратах в этих случаях устанавливают немногочисленные простые приборы (манометр, ртутный термометр, регулятор прямого действия).

Классификация по степени централизации управления. Современные ТОУ состоят из многих аппаратов, установок, участков, цехов. Управление отдельными составляющими объекта в зависимости от степени их влияния друг на друга, информационной мощности, сложности и важности может осуществляться из самостоятельных пунктов или из одного центрального пункта. По степени централизации СУ целятся на одно- и многоуро.вневые (рис. 1.3). Одноуровневые - это ,си,стемы, в которых управление ТОУ осуществляется из одного (централизованные системы) или нескольких (децентрализованные системы) пунктов.

Одноуровневые централизованные системы применяют в основном для управления относительно несложными объектами, расположенными на небольшой территории. Для современных ТОУ, включающих большое число территориально рассредоточенных установок, использование одноуровневой централизованной системы приводит к усложнению коммуникаций СУ и громоздкости пульта управления (ПУ). Усложняется и работа технологического персонала, так как значительная часть полученной им информации не нужна для непосредственного ведения технологического процесса.

7 вопрос НАДЕЖНОСТЬ снеТЕМ УПРАВЛЕННЯ

Показатели надежности. Надежность систем управления определяется способностью системы выполнять заданные функции с сохранением во времени установленных значений эксплуатациOHHbIX показателей - безотказности, ремонтопригодности и долговечности системы.

Безотказность - способность системы сохранять работоспособность в условияхэксплуатации в течение заданного времени (цикла производства, смены, месяца, квартала, года) без вынужденных (внеплановых) перерывов. Она характеризуется наработкой на отказ отдельных функций, подсистем и системыI в целом.

Ремонтопригодность характеризует приспособленность системы к предупреждению, обнаружению и устранению отказов. Этот показатель важен для систем, рассчитанных на длительное использование, с многократным восстановлением работоспо<юбности после возможных отказов и характеризуется средним временем восстановления.

Долговечность - это свойство системы сохранять работоспособность до предельного сос)'ояния (с необходимыми перерывами для технического обслуживания и ремонта). Она определяется факторами физического и морального старения и задается сроком службы системы.

В процессе разработки, проектирования, внедрения и промышленной эксплуатации системы управления должен быть установлен и обеспечен оптимальный уровень ее надежности последствиями низкого уровня являются нарушения технологичес-

кого режима, брак, недовыпуск целевого продукта, аварии, взрывы, а так как увеличение затрат наремонт системы. В отдельных случаях низкий уровень надежности системы может свести ее эффективность к нулю или даже сделать отрицательной (т. е. затраты будут выше экономического эффекта). Завышение показателей надежности также приводит к увеличению затрат установление и обеспечение оптимального уровня надежности системы - сложная и ответственная задача, поскольку систе мы управления ТОУ химической технологии относятся к многофункциональным, в их состав входят многочисленные технические устройства и оперативный персонал. При этом, с одной стороны, в выполнении отдельной функции может использоваться несколько технических устройств, а с другой - одно и то же устройство можно использовать в выполнении нескольких функций. Немаловажное значение имеет и избыточность систем (аппаратная, информационная, временная, функциональная), что позволяет поддерживать надежность системы в целом выше надежности отдельных подсистем и устройств. Наличие оперативного персоr-rала может как увеличить общую надежность выполнения заданных функций (если персонал является резервным звеном управления), так и уменьшить ее в случае последовательной работы персонала с техническими устройствами.

8 вопросСистема автоматического контроля (САК)

предназначена для автоматического контроля различных физических величин (параметров), сведения о которых необходимы при управлении объектом. Всякая система состоит из элементов, узлов и устройств, оределенную функцию.

Элементы передачи и связи - устройства, обеспечивающие передачу сигналов от датчика до исполнительного элемента.

В состав систем автоматизации производственных процессов входят дополнительные элементы, не участвующие в преобразовании информации, а обеспечивающие данное преобразование. К ним относятся источники энергии, стабилизаторы, переключатели и др.

В зависимости от вида исполнительного элемента автоматический контроль разделяют на четыре основные группы:

- автоматическая сигнализация характерных или предельных значений параметров; сигнализирующее устройств (СУ) - это лампочки, звонок, сирена;

- автоматическое указание значений контролируемых параметров; указывающий прибор (ПУ) может быть стрелочным, цифровым;

- автоматическая регистрация значений контролируемого параметра; регистрирующее устройство (РУ) - это самописец;

- автоматическая сортировка различных изделий в зависимости от заданных значений контролируемых параметров (ПС – прибор сортирующий).

Система автоматического контроля не вмешивается в ход протекания технологического процесса.

По принципу действия различают:

- системы пассивного контроля, представляющие собой системы автоматического контроля (САК), задача которых получить необходимые сведения об управляемом объекте или параметрах технологического процесса (система не изменяет параметров технологического процесса во время обработки, т.е. ведет себя пассивно);

- системы активного контроля, которые представляют собой системы автоматического регулирования (САР), задача их не только измерять необходимые величины, но и поддерживать их заданное значение во время технологического процесса.

 Системы автоматического пассивного контроля различаются:

- аппаратными средствами и способами организации контроля; разновидностями и способами контактирования с измеряемыми величинами (прямое контактирование, косвенное, контактирование в рабочей позиции, в измеряемой позиции и т. д.);

- видами датчиков, применяемых для измерения величин (индуктивные, пневматические, фотоэлектрические, тензометрические, оптоэлектронные);

- способами организации измерительной системы и средствами обработки полученной информации (измерение, дискретное, измерение методом сравнения с заданным значением, измерение с преобразованием аналогового сигнала в числовой код и т. д.);

- видами индикаторов и средствами отображения информации измерений (стрелочные индикаторы, цифровые, символьные, сегментные отображения информации на ЭЛТ и т. д.);

- способами хранения и регистрации данных (регистрация на бумажных лентах в виде диаграмм, графиков, регистрация посредством печатающих устройств, регистрация с записью в ЗУ).

9 вопрос Автоматическим управлением называется процесс, при котором

операции выполняются посредством системы, функционирующей без вмешательства человека в соответствии с заранее заданным алгоритмом.

Автоматическая система с замкнутой цепью воздействия, в которой управляющее (регулирующее) воздействие вырабатывается в результате сравнения истинного значения управляемой (регулируемой) величины с заданным (предписанным) ее значением, называется АСР.

Преобразование входного сигнала системы (управляющего воздействия) в выходной сигнал (регулируемую величину) определяет закон изменения регулируемой величины. Реализация желаемого закона осуществляется в результате формирования управляющих переменных, которые воздействуют на регулируемую систему. Законы изменения регулируемой величины во времени могут быть различными; математически они описываются оператором системы. Этот оператор может реализовать пропорциональную зависимость выходного сигнала от входного, связь в виде производной или интеграла и т. д. В более общем случае, этот оператор может быть и нелинейным. Необходимо отметить, что законы изменения регулируемых величин в машинах и агрегатах нарушаются под влиянием внешних, а иногда и внутренних воздействий, называемых возмущениями (или возмущающими воздействиями).Из определения этих воздействий видно, что система автоматического регулирования должна как можно точнее воспроизводить управляющее воздействие и возможно меньше реагировать на возмущающее воздействие. Существует три различных принципа построения систем регулирования, обеспечивающих реализацию требуемого закона изменения регулируемой величины: по разомкнутому циклу, по замкнутому циклу, по комбинированному циклу регулирования (замкнуто-разомкнутый). Принцип разомкнутого цикла заключается в обеспечении требуемого закона изменения регулируемой величины непосредственно путем преобразования управляющего воздействия. Принцип замкнутого цикла характеризуется сравнением управляющего воздействия с действительным изменением регулируемой величины за счет применения обратной связи и элемента сравнения. Образующийся в результате сравнения сигнал ошибки не должен превышать некоторой заданно величины. За счет этого и обеспечивается в замкнутых системах требуемый закон изменения регулируемой величины. Комбинированный принцип заключается в сочетании замкнутого и разомкнутого циклов в одной системе. Автоматическим управлением называется процесс, при котором операции выполняются посредством системы, функционирующей без вмешательства человека в соответствии с заранее заданным алгоритмом. Автоматическая система с замкнутой цепью воздействия, в которой управляющее (регулирующее) воздействие вырабатывается в результате сравнения истинного значения управляемой (регулируемой) величины с заданным (предписанным) ее значением, называется АСР. Производственный процесс - совокупность взаимосвязанных трудовых и технологических процессов, при реализации которых исходные материалы и полуфабрикаты превращаются в готовые изделия. Автоматическими называются устройства, которые управляют различными процессами и контролируют их без непосредственного участия человека. Предмет или процесс, подлежащий изучению, называется объектом, а все окружающие предметы взаимодействующие с ними - внешней средой. Система - совокупность элементов или устройств, находящихся в отношениях и связях между собой и образующих определенную целостность (единство). Объект управления - совокупность технологических устройств (машин, орудий труда, средств механизации), выполняющих данный процесс с точки зрения управления. Операция управления - обеспечивает в нужные моменты начало, порядок следования и прекращения рабочих операций, выделяет необходимые для их выполнения ресурсы. Под управлением понимают процесс организации такого целенаправленного воздействия на объект управления, в результате, которого последний переходит в требуемое (целенаправленное) состояние. Параметры производственного технологического процесса или технологического процесса или технологического объект, который необходимо поддерживать постоянно или изменять по определенному закону называется управляемой величиной. Значение управляемой величины, которое согласно заданию должно быть в данный момент времени, называют заданным значением управляемой величины (управляемого параметра). Схему изображающую последовательность процессов внутри устройства или системы, называется структурной схемой. Звено - элемент, входящий в САУ в котором определенным образом преобразуется входной параметр в выходной (схематически изображается в виде блока, но не отражает особенности его конструкции). Информация всегда связана с материальным носителем какой-либо физической величины. В технических системах такие носители называют носителями сигналов (например, электрические напряжения и ток, давление, механическое перемещение и др.), которые можно изменять в соответствии с передаваемой информацией

10 вопрос Контроль температуры

 Приборы контроля и измерения температуры

Приборы для контроля и измерения температуры в зависимости от используемых физических свойств веществ разделяют на следующие группы:

термометры расширения;

манометрические термометры;

термометры сопротивления;

термоэлектрические термометры;

пирометры; пьезоэлектрические термометры

Термометры расширения

Принцип действия термометров расширения основан на свойстве тел изменять под действием температуры свои линейные размеры и свой объем. Явление температурного расширения тел использовано в создании жидкостных, паровых и газовых термометров (манометрические термометры) и термометров с твердыми рабочими телами (дилатометрические, биметаллические термометры).

Термометры, в которых используется явление температурного расширения.
Жидкостные	Паровые	Газовые	С твёрдыми рабочими телами

Жидкостные термометры

ЖИДКОСТНЫЙ ТЕРМОМЕТР - прибор для измерения температуры, действие которого основано на термическом расширении жидкости. В зависимости от температурной области применения жидкостные термометры заполняют этиловым спиртом , ртутью и другими жидкостями (пентан, толуол и т. д.). Примеры: комнатный спиртовой термометр, медицинский ртутный термометр и др.

Действие жидкостных термометров основано на использовании различия коэффициентов теплового расширения термометрической жидкости и материала оболочки термометра. Жидкостные термометры выполнены в виде стеклянного резервуара, наполненного жидкостью, в качестве которой используют ртуть и органические жидкости: этиловый спирт, толуол или керосин. Ртуть находится в жидком состоянии при температурах от - 39⁰С (точка замерзания) до 357⁰С (точка кипения) и имеет средний температурный коэффициент объемного расширения 0,18 · 10^-3 К^-1. Термометры с органическими жидкостями применяют лишь для измерения температур от

-190⁰С до -200⁰С. В них часто применяется амальгама талия - жидкость для низкотемпературных термометров.

Для изготовления термометров применяется специальное термометрическое стекло, обладающее небольшим температурным коэффициентом, примерно равным 0,02 · 10^-3 К^-1. Ртутные термометры выполняют трех видов:

с вложенной внутрь стеклянной оболочки шкальной пластиной;

палочные, выполненные в виде массивного толстого капилляра, на наружной поверхности которого нанесены деления в виде насечки по стеклу;

с прикладной шкалой, в которых капиллярная трубка с припаянными к ней термобаллоном крепится к пластине, на которую нанесена шкала.

В зависимости от формы нижней части жидкостные термометры различаются на прямые и на угловые с углом ,например, 135⁰ .

Основные части термометра: 1 - резервуар; 2- капилляр; 3- шкала; 4- оболочка; 5- нижняя часть.

Газовые термометры

ГАЗОВЫЙ ТЕРМОМЕТР- прибор для измерения температуры, действие которого основано на зависимости давления или объема газа от температуры. Заполненный гелием, азотом или водородом баллон, соединенный при помощи капилляра с манометром, помещают в среду, температуру которой измеряют. По измеренному объему или давлению газа, используя его уравнение состояния, определяют температуру.

Жидкостные, газовые и конденсационные манометрические термометры

Принцип действия манометрических термометров основан на зависимости давления жидкости и газа в замкнутом объеме от температуры.

На рис.2 показана схема манометрического термометра. Термосистема прибора, заполненная рабочим веществом, состоит из термобаллона 1, помещаемого в измеряемую среду, манометрической трубчатой пружины 5, связанной тягой 4 с зубчатым сектором 3 с показывающей стрелкой, и капилляра 2, соединяющего пружину с термобаллоном.

При нагреве термобаллона увеличивается давление рабочего вещества в нем, которое через капилляр передается трубчатой пружине и вызывает ее раскручивание до тех пор, пока усилие, созданное разностью давлений, не уравновесится силой ее упругой деформации.

Термобаллоны изготовляются из нержавею 5 щей стали. Они имеют диаметр 12 - 20 мм и длину 25 - 500 мм. В качестве капилляра 3 применяют толстостенную трубку из латуни диаметром 2,5 x 0,35 мм, длиной до 10 - 60 м.

В газовых манометрических термометрах в качестве рабочего вещества используют азот или аргон, которые являются химически инертными веществами.

В жидкостных манометрических термометрах термосистема заполняется кремнийорганической жидкостью ПМС-5.

Газовые и жидкостные термометры заполняются рабочим веществом под некоторым начальным давлением 10⁶ - 2·10⁶ Па, чтобы снизить погрешность, связанную с отклонением атмосферного давления

В конденсационных манометрических термометрах термобаллон частично (около 2/3 объема) 1. заполнен низкокипящей жидкостью (фреон, ацетонхлористый метил), а остальное его пространство заполнено насыщенным паром этой жидкости .в которую помещен термобаллон, возрастает испарение жидкости, что приводит к повышению давления пара над жидкостью. Такие приборы имеют более высокую чувствительность по сравнению с газовыми и жидкостными термометрами. Кроме того, на их показания не влияет изменение температуры и давления среды, окружающей капилляр. Однако они имеют неравномерную шкалу, так как зависимость между температурой и упругостью пара нелинейна.

Манометрические термометры применяют только как технические приборы с пределами измерения от 50 до 600⁰С. Они выпускаются как показывающие, так и самопишущие.

Дополнительные погрешности манометрических термометров: барометрическая, связанная с изменением атмосферного давления; температурная (у газовых и жидкостных), возникающая при колебаниях температуры капилляра; гидростатическая (у жидкостных и конденсационных), обусловленная установкой термобаллона и пружины на разных высотах. Недостаток манометрических термометров - большая инерционность и невысокая точность.

Термометры с твёрдыми рабочими телами

Дилатометрические термометры применяют двух видов: стержневые и пластинчатые (биметаллические). Принцип действия дилатометрических термометров основан на относительном удлинении двух твердых тел, имеющих различные температурные коэффициенты линейного расширения, под воздействием температуры.

Зависимость длины твердого тела от температуры выражается уравнением:

l = l₀ · ( l + б · t ),

где l₀ - длина тела при температуру 0⁰С.

б - температурный коэффициент линейного расширения, К^-1.

Стержневой термометр (рис.3а) имеет закрытую с одного конца трубку 1, помещенную в измеряемую среду, в которую вставлен стержень 2, связанный с рычагом 3. трубка выполнена из материала с большим коэффициентом линейного расширения, чем стержень. При изменении температуры трубка изменяет свою длину относительно стержня, что приводит к смещению стрелки прибора.

Дилатометрические термометры.Пластинчатый термометр (рис.3б) состоит из двух изогнутых и спаянных между собой по краям металлических полосок 1 и 2 с различными коэффициентами линейного расширения, один конец которых закреплен, а другой связан с рычагом 3. при изменении температуры пластинки изменяют угол прогиба и перемещают стрелку прибора.

В качестве материалов с большим коэффициентом линейного расширения применяют никель, латунь, сталь, с малым коэффициентом линейного расширения - инвар (сталь, содержащая 36% никеля).

Дилатометрические термометры используют главным образом в качестве чувствительных элементов в сигнальных приборах и в качестве вспомогательных узлов для компенсации влияния температуры на показания других приборов.

ТЕМПЕРАТУРА (от лат . temperatura - надлежащее смешение, нормальное состояние), физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия системы. Температура всех частей изолированной системы, находящейся в равновесии, одинакова. Если система не находится в равновесии, то между ее частями, имеющими различную температуру, происходит теплообмен. Более высокой температурой обладают те тела, у которых средняя кинетическая энергия молекул (атомов) выше. Измеряют температуру термометрами на основе зависимости какого-либо свойства тела (объема, электрического сопротивления и т. п.) от температуры. Теоретически температура определяется на основе второго начала термодинамики как производная от энергии тела по его энтропии. Так, определяемая температура всегда положительна, ее называют абсолютной температурой или температурой по термодинамической температурной шкале (обозначается Т). За единицу абсолютной температуры в СИ принят кельвин (К). Значения температуры по шкале Цельсия (t, °С) связаны с абсолютной температурой соотношением t=T-273,15K (1 °С=1 К).

Температуру измеряют путем наблюдения за изменением физических свойств веществ, называемого термометрическим веществом. При нагреве изменяется внутренняя энергия вещества, что сопровождается изменением практически всех его физических свойств. Для измерения температуры выбирают те из них, которые однозначно меняются с изменением температуры и сравнительно легко поддаются измерению. Этим требованиям наиболее полно соответствуют такие свойства рабочих веществ: объемное расширение, изменение давления в замкнутом объеме, изменение электрического сопротивления, возникновение термоэлектродвижущей силы, интенсивность излучения, механическое напряжение.