Методы и средства измерения температуры

Классификация теплосчетчиков

Учет количества тепловой энергии осуществляется путем измерения ряда параметров теплоносителя (расхода, давления и температуры) с последующим вычислением на основании результатов этих измерений количества потребляемой или отпускаемой тепловой энергии.

Прибор или комплект приборов, выполняющий указанные функции называется теплосчетчиком (в «Правилах» такой комплект приборов называется узел учета тепловой энергии).

Как правило, это комплект приборов, в состав которого входят первичные измерительные преобразователи и центральное устройство (тепловычислитель), в функции которого входит производство расчетов количества тепловой энергии на основе вход ной информации о массе (или объеме) теплоносителя, его температуре и давлении. Такую информацию в виде тех или иных физических величин, эквивалентных значениям измеряемых физических параметров, представляют ему первичные измерительные преобразователи.

Теплосчетчики классифицируются следующим образом:

· единые теплосчетчики – счетчики, выполненные в одном конструктивном исполнении и имеющие единую документацию. Такой теплосчетчик государственную метрологическую поверку проходит как единой целое.

· составные теплосчетчики – счетчики, у которых отдельные части конструктивно независимы, но выпускаются одним и тем же производителем и объединены единой документацией.

· комбинированные теплосчетчики – счетчики, которые составляются из приборов, выпускаемых разными производителями. Каждый прибор такого теплосчетчика поверяется в соответствии со своей методикой и своим межповерочным интервалом.

Во многих случаях «Правилами» требуется не только вычисление количества тепловой энергии и вывод вычисленного значения на индикатор (например, на электромеханический счетчик) в интегральном виде, но и регистрация количества тепловой энергии, а также параметров теплоносителя за определенные интервалы времени (час, сутки, месяц), то есть необходимость заполнения, хранения и представления пользователю определенного количества архивов. В «Правилами» не запрещается проводить эту регистрацию на бумажных носителях с использованием самопишущих приборов. Однако, в связи с тем, что основой современных тепловычислителей служит микропроцессорная техника, архивы формируются и хранятся во внутренней памяти тепловычислителей в электронном виде.

Часто тепловычислитель обладает также функциями передачи измеренной и накопленной информации в формализованном виде по каналам связи.

Такой тепловычислитель обычно называют контроллером сбора, обработки и передачи информации.

Температура – это физическая величина (параметр состояния), которая количественно и качественно характеризует меру средней суммарной кинетической энергии частиц (молекул) выделенного для измерения объема физического тела.

Существует два способа измерения температуры: бесконтактный и контактный.

Бесконтактная термометрия или пирометрия основана на принципе теплового излучения.

Контактная термометрия использует теплообмен между поверхностью рабочего тела термометра и соприкасающимся с ним теплоносителем (газ, пар, жидкость). Необходимо отметить, что контактный термометр всегда регистрирует свою собственную температуру и для определения температуры теплоносителя требуется, во-первых, обеспечить процесс правильного теплообмена между средой и термометром и, во-вторых, достичь устойчивого состояния теплового равновесия между ними, при котором теплообмен прекращается. В этом случае температуры двух тел (среды и термометра) будут равны. Показателем теплового равновесия является фиксированное значение температуры термометра в течение определенного времени.

Градуировка реальных рабочих термометров производится на основе тех или иных температурных шкал, при построении которых использованы реперные (опорные) точки, являющимися, как правило, температурами переходов между агрегатными состояниями чистого вещества.

Основой построения шкалы Цельсия являются две реперные точки: фазовый переход воды из твердого состояния в жидкое и из жидкого в парообразное, значения температуры, которых были условно приняты за 0 и 100 градусов соотвественно (при нормальном атмосферном давлении 101325 Па или 760 мм. рт. ст.) и равномерной шкалой между ними.

Все контактные средства измерений можно разделить на две основные группы: термометры и преобразователи температуры.

Преобразователи температуры в отличие от большинства термометров имеют выходной измерительный сигнал для дистанционной передачи.

По способу обработки и отображения этого сигнала преобразователи подразделяются на первичные (без обработки и отображения) и вторичные (получают сигнал от первичных преобразователей, обрабатывают его и отображают значение температуры). Классификация преобразователей температуры приведена на рис. 4.

В качестве первичных преобразователей температуры при построении теплосчетчиков обычно используют преобразователи сопротивления с металлическим проводником в качестве чувствительного элемента (термопара). Принцип действия такого преобразователя основан на функциональной зависимости электросопротивления проводника от температуры: R_t = f (T).

У большинства металлов удельное электросопротивление возрастает с ростом температуры. Относительное изменение электросопротивления проводника α = R_t+i / R_t называется температурным коэффициентом термосопротивления (ТКС). Значения ТКС индивидуальны для каждого вещества, в общем случае зависят от измеряемого интервала температур и для большинства чистых металлов находятся в интервале (0,3 - 0,6) %/^оС. ТКС металлов имеет положительное значение (α >1) в отличие от ряда полупроводников.

Термопреобразователь сопротивления (ТС) представляет значение температуры (T) через значение сопротивления R_t. Чем больше R_t, тем с большей относительной точностью оно может быть измерено вторичным прибором.

Поэтому важной характеристикой материала чувствительного элемента ТС, в частности металлической проволоки, наряду с ТКС является значение его сопротивления R₀ в некоторой нулевой температурной точке:

R₀ = ρ*L/S,

где ρ – удельное сопротивление материала проводника (Ом*кв.мм/м²);

L – длина проводника в метрах;

S – площадь поперечного сечения проводника в м².

Чем больше ρ проводника, тем в большей степени он подходит в качестве материала чувствительного элемента термосопротивления и позволяет при одном и том же R₀ уменьшить длину проводника (снизить его расход, габариты инерционность и стоимость чувствительного элемента ТС) и увеличить сечение (повысить прочность чувствительного элемента и его стойкость к высоким температурам).

Наиболее приемлемыми материалами для чувствительных элементов ТС являются металлические проводники с высокими значениями ρ и α, химически инертные, с высокой технологической воспроизводимостью по чистоте и постоянством физических свойств во времени. К таким проводникам в первую очередь относятся платина (ρ – 0,0981; α = 3,9%), медь (ρ = 0,0155; α = 4,25%) и никель (ρ - 0,09; α = 6,17 %).

Основные типы термоэлектрических преобразователей, широко применяемых для измерения температуры:

ТПП - платинородий / платина;

ТЖК - железо / константан;

ТПР - платинородий 30 / платинородий 6;

ТХК - хромель / копель;

ТВР - вольфрамрений 5 / вольфрамрений 20;

ТМК - медь / константан.

Рис. 4 Классификация преобразователей температуры

Градуировка рабочих металлических ТС производится по двум реперным точкам (0 и 100°С). В этих точка определяются соответственно R₀ и R₁₀₀. Значения R₀ и W₁₀₀ для каждого типа ТС приведены в ГОСТ 6651-94 как их номинальная статическая характеристика (НСХ).

Типичная конструкция проволочного ТС содержит чувствительный элемент, который представляет собой бифилярную намотку платиновой проволоки диаметром 0,07-0,5 мм для ТСП или медной проволоки диаметром 0,1 - 3,2 мм для ТСМ на изоляционный плоский или цилиндрический каркас (слюду, стекло, керамику), выводы которого через утолщенные про водящие провода (серебро для ТСП и медь для ТСМ) соединены с внутренними соединительными проводами, идущими на выход ТС.

Чувствительный элемент (ЧЭ) вместе с соединительными проводами упаковывается в электроизоляцию, помещается в защитную металлическую (алюминий или латунь) гильзу и подключается к головке ТС, в которой размещены контакты для подключения внешних соединительных проводов от вторичного прибора. Для обеспечения возможности замены ТС при ремонте или поверке размещение ТС на трубопроводе выполняют при помощи резьбового соединения в дополнительной защитной гильзе, вваренной в трубопровод. Для улучшения теплообмена между ТС и измеряемой средой эту гильзу обычно заполняют жидким маслом при температуре среды до 150°С или медными (алюминиевыми) опилками при более высоких температурах.

ТС определяет температуру среды на участке длины чувствительного элемента. Поэтому для увеличения теплообмена ТС погружают в трубу до положения, при котором ось трубы близка к центру ЧЭ. Это уменьшает влияние на измерение температуры утечки тепла через стенки трубы. Поэтому длину рабочей части ТС и защитной гильзы выбирают исходя из диаметра трубопровода.

Важными индивидуальными характеристиками ТС являются показатель тепловой инерции (время установления теплового равновесия между ТС и средой) и номинальная температура применения, для которой нормируются показатели надежности и долговечности.

Рабочее сопротивление ТС измеряется вторичным прибором (при использовании в составе теплосчетчика – тепловычислителем). Соединение ТС со вторичным прибором осуществляется по двух, трех или четырехпроводной схеме. Для двухпроводной схемы на сопротивление внешних проводов накладывается жесткое ограничение (R_внешн.< 0,1% R₀), которое определяет макси­мальную длину соединительных проводов. Поэтому при достаточном удалении ТС от вторич­ного прибора рекомендуется подключение ТС по четырехпроводной схеме (см. рис. 5).

Рис. 5. Схемы соединения ТС с вторичным прибором

При учете расхода тепловой энергии приходится проводить взаимозависимые измерения температур в подающем и обратном трубопроводах с последующим определением разности этих температур. При этом максимальный диапазон разности температур достигает 100-120°С, а минимальный 2-5°С. В подобных случаях к используемым ТС предъявляются особые метрологические требования. Они подбираются в пары по значениям абсолютных погрешностей в двух реперных точках (0 и 100°С) таким образом, чтобы погрешности по знаку и значению компенсировали друг друга в разностной схеме измерения температур.

На смену проволочным ТС с относительно большими размерами ЧЭ, инерционностью и трудоемкостью сборки появились пленочные ТС, позволяющие уменьшить габариты ЧЭ, их инерционность и обеспечить массовое производство с точной лазерной подгонкой НСХ.

В последние годы в схемах учета и регулирования расхода тепловой энергии стали использоваться термоэлектронные преобразователи (ТЭ), построенные на базе малых интегральных микросхем.

В основе этих ТЭ лежит интеграция в рамках одного элемента (микросхемы) термочувствительного элемента и многофункциональной схемы обработки его сигнала, включающая триггеры верхнего и нижнего порогов контролируемой температуры, оперативную и постоянную память для хранения алгоритмов преобразования и накопленной измерительной информации и интерфейсную логику. На рис. 6 представлены структурная схема ТЭ на базе микросхемы DS1820 производства фирмы «Dallas semiconductor» (США) и вариант автоматизированного сбора данных по группе точек измерения температуры.

DS1820 позволяет измерять температуру в диапазоне от -55°С до +125°С с точностью 0,5°С. Питание микросхемы может производиться как по отдельному проводу, подключаемому к вы воду VDD микросхемы, так и по проводу, подключаемому к выводу DQ (ввод/вывод данных). На двухпроводную линию возможно подключение до тридцати двух преобразователей на расстоянии до 1 км. ТЭ можно программировать с линии данных на верхний и нижний пороги контроля температуры - при выходе значения измеряемой температуры за эти пороги преобразователь посылает в линию сигнал аварии.

Рис. 6 Структурная схема ТЭ на базе микросхемы DS1820 и вариант автоматизированного сбора данных по группе точек измерения температуры.

Передача данных от микросхем производится по запросу в последовательном двоичном коде и определенном формате, поэтому вторичный прибор (контроллер) должен поддерживать выдачу запросов и прием данных как протокольно, так и по уровню передаваемых и принимаемых сигналов.

Развитие класса цифровых ТЭ осуществляется высокими темпами, создаются новые, более интеллектуальные преобразователи. Одна из последних моделей (DS1615) имеет, например, расширенную память для хранения температурного графика, что предоставляет дополнительные возможности при построении схем регулирования расхода тепловой энергии.

Дата добавления: 2014-11-08