Измерение температуры

Температура является важным параметром, определяющим не только протекание технологического процесса, но и свойства вещества. Для измерения температуры в системе единиц СИ принята температурная шкала с единицей температуры Кельвин (К). Начальной точкой этой шкалы является абсолютный нуль (0 К).

Для технологических измерений часто применяют температурную шкалу с единицей температуры градус Цельсия (°С).

Для измерения температуры используют различные первичные преобразователи, отличающиеся способом преобразования температуры в промежуточный сигнал. В промышленности наибольшее применение получили следующие первичные преобразователи: термометры расширения, манометрические термометры, термометры сопротивления, термопары (термоэлектрические пирометры) и пирометры излучения. Все они, за исключением пирометров излучения, в процессе эксплуатации находятся в контакте с измеряемой средой.

Термометры расширения. Действие термометров расширения основано на изменении объема жидкостей и твердых тел при изменении температуры.

Из термометров расширения наиболее широко применяют жидкостные стеклянные термометры (рис. 63). Такой термометр заполняется жидкостью (ртуть, толуол, этиловый спирт и др.), которая с увеличением температуры расширяется и поднимается вверх по капилляру 2.

Рис. 63. Термометр расширения: 1 – стеклянный баллон, 2 - капилляр

Таким образом, температура, измеряемая жидкостным термометром, преобразуется в линейное перемещение жидкости. Шкала наносится прямо на поверхность капилляра или прикрепляется к нему снаружи. Технические жидкостные стеклянные термометры применяют для измерения температур от 35 до 500° С.

При монтаже стеклянный термометр помещают в защитную металлическую оправу, изолирующую его от измеряемой среды. Для уменьшения инерционности измерения в кольцевой зазор между термометром и стенкой оправы при измерении температуры до 150° С заливают машинное масло; при измерении более высоких температур в зазор насыпают медные опилки.

Манометрические термометры. Действие манометрических термометров основано на изменении давления газа, пара или жидкости в замкнутом объеме при изменении температуры. Манометрический термометр (рис. 64) состоит из термобаллона 1, гибкого капилляра 2 и манометра 3.

Рис. 64. Манометрический термометр: 1 — термобаллон, 2 – капилляр, 3 - манометр

В зависимости от заполняющего вещества манометрические термометры делятся на газовые (ТПГ, ТДГ и др.), парожидкостные (ТПП) и жидкостные (ТПЖ, ТДЖ и др.). Область измерения температур манометрическими термометрами от —60 до +600° С.

Термобаллон манометрического термометра помещается в измеряемую среду. При нагреве термобаллона внутри замкнутого объема увеличивается давление, которое измеряется манометром. Шкала манометра градуируется в единицах температуры. Капилляр (обычно латунная трубка с внутренним диаметром, составляющим доли миллиметра) позволяет удалить манометр от места установки термобаллона на расстояние до 40 м. Капилляр по всей длине защищен оболочкой из стальной ленты.

Манометрические термометры могут применяться во взрывоопасных помещениях. При необходимости передачи результатов измерений на расстояние более 40 м манометрические термометры снабжают промежуточными преобразователями с унифицированными выходными пневматическими или электрическими сигналами.

Наиболее уязвимыми в конструкции манометрических термометров являются места присоединения капилляра к термобаллону и манометру. Поэтому монтаж и обслуживание таких приборов следует производить с необходимыми предосторожностями.

Термометры сопротивления. Действие термометров сопротивления основано на свойстве тел изменять свое электрическое сопротивление при изменении температуры. У металлических термометров сопротивление с возрастанием температуры увеличивается практически линейно, у полупроводниковых, наоборот, уменьшается.

Металлические термометры сопротивления (рис. 65) изготовляют из тонкой медной или платиновой проволоки 1, помещенной в электроизоляционный корпус 2. Зависимость электрического сопротивления от температуры (для медных термометров от -50 до +180° С, для платиновых — от -200 до +650° С) весьма стабильна и воспроизводима. Это обеспечивает взаимозаменяемость термометров сопротивления.

Рис. 65. Термометр сопротивления: 1 — проволока, 2 — корпус

Для медных термометров (ТСМ) установлены градуировки 23 и 24 (сопротивление при 0°С 53 и 100 Ом), для платиновых (ТСП) — градуировки 21 и 22 (сопротивление при 0°С 46 и 100 Ом).

Для защиты термометров сопротивления от воздействия измеряемой среды применяют защитные чехлы (рис. 66). Приборостроительная промышленность выпускает много модификаций защитных чехлов, рассчитанных на эксплуатацию термометров при различном давлении (от атмосферного до 500·10⁵ Па), различной агрессивности измеряемой среды, обладающих разной инерционностью (от 40 с до 4 мин) и глубиной погружения (от 70 до 2000 мм).

Полупроводниковые термометры сопротивления (термисторы) для измерений в промышленности применяют редко, хотя их чувствительность гораздо выше, чем термометров сопротивления. Это объясняется тем, что градуировочные характеристики термисторов значительно отличаются друг от друга, что затрудняет их взаимозаменяемость.

Термометры сопротивления представляют собой первичные преобразователи с удобным для дистанционной передачи сигналом — электрическим сопротивлением. Для измерения такого сигнала обычно применяют автоматические уравновешенные мосты (см. рис. 50). При необходимости выходной сигнал термометра сопротивления может быть преобразован в унифицированный. Для этого в измерительную цепь включают промежуточный преобразователь НП-СЛ1-М (см. рис. 45). В этом случае измерительным будет прибор для измерения постоянного тока (см. рис. 48, в).

Термопары. Принцип действия термопар (термоэлектрических пирометров) основан на свойстве двух разнородных проводников создавать термоэлектродвижущую силу (термо-э.д.с.) при нагревании места их соединения — спая. Проводники в этом случае называются термоэлектродами, а все устройство — термопарой.

Величина термо-э.д.с. термопары U (рис. 67) зависит от материала термоэлектродов А и Б и от разности температур горячего спая 4 и холодных спаев t_х. Поэтому при измерении температуры горячего спая температуру холодных спаев стабилизируют или вводят поправку на ее изменение.

Рис. 67. Термопара: Рис. 68. Схема автоматического введения поправки

А, Б - термоэлектроды на температуру холодных спаев термопары

В промышленных условиях стабилизация температуры холодных спаев термопары затруднительна и обычно используют второй способ — автоматическое введение поправки на температуру холодных спаев. Для этого применяют неуравновешенный мост, включаемый последовательно с термопарой (рис. 68).

В одно плечо такого моста включен медный резистор R_м, расположенный около холодных спаев. При изменении температуры холодных спаев термопары t_х изменяется сопротивление резистора R_м и выходное напряжение неуравновешенного моста U₁.

Мост подбирают таким образом, чтобы изменение напряжения было равно по величине и противоположно по знаку изменению э.д.с. термопары вследствие колебаний температуры холодных спаев.

Термопары являются первичными преобразователями температуры в э.д.с. — сигнал, удобный для дистанционной передачи. Поэтому в измерительную цепь за термопарой может быть сразу включен измерительный прибор. Для измерения э.д.с. термопары обычно применяют автоматические потенциометры.

В автоматических потенциометрах (см. рис. 48), работающих в комплекте с термопарами, медный резистор R_м включается в одно плечо моста 1. Показания такого потенциометра будут изменяться лишь при изменении температуры горячего спая термопары. Это объясняется тем, что изменение э.д.с. термопары под воздействием температуры холодных спаев будет автоматически компенсироваться дополнительным изменением выходного напряжения моста вследствие изменения сопротивления резистора R_м.

Если э.д.с. термопары преобразуют в унифицированный сигнал промежуточным преобразователем НП-ТЛ1-М, то компенсация температуры холодных спаев производится неуравновешенным мостом 3, который входит в состав преобразователя (см. рис. 44).

Медный резистор размещают в потенциометре или промежуточном преобразователе. Следовательно, там же должны находиться и холодные спаи термопары. В этом случае длина термопары должна быть равна расстоянию от места измерения температуры t_г до места установки прибора. Такое условие практически невыполнимо, так как термоэлектроды термопар (жесткая проволока) неудобны для монтажа. Поэтому для соединения термопары с прибором применяют специальные соединительные провода, по своим термоэлектрическим свойствам подобные термоэлектродам термопар. Такие провода называются компенсационными. С их помощью холодные спаи термопары переносятся к измерительному прибору или преобразователю.

В промышленности применяют различные термопары с термоэлектродами, изготовленными как из чистых металлов, так и из их сплавов. Материалы термозлектродов имеют индивидуальные градуировочные характеристики — зависимость величины термо-э.д.с. от температуры спая и предельную величину измеряемой температуры. Наиболее употребляемые термоэлектродные пары образуют стандартные термопары: хромель — копель (градуировка ХК) с предельной температурой 600°С, хромель — алюмель (градуировка ХА) с предельной температурой 1100°С и платинородий — платина (градуировка ПП) с предельной температурой 1600°С.

Промышленные термопары отличаются высокой стабильностью и воспроизводимостью градуировочных характеристик, что позволяет заменять их без какой-либо переналадки остальных элементов измерительной цепи.

Термопары, как и термометры сопротивления, устанавливают в защитных чехлах, на которые наносят градуировку термопары. Для высокотемпературных термопар применяют защитные чехлы из теплостойких материалов: фарфора, окиси алюминия, карбида кремния и т.п.

Пирометры излучения. Пирометры излучения предназначены для бесконтактного измерения температуры по тепловому излучению нагретых тел. Наиболее распространены радиационные пирометры.

Действие радиационного пирометра основано на измерении всей энергии излучения нагретого тела. Схема такого пирометра приведена на рис. 69.

Рис. 69. Радиационный пирометр: 1 — объектив, 2 — зачерненная пластинка 3 — батарея термопар, 4—милливольтметр.

Лучи от нагретого тела объективом 1 фокусируются на зачерненной пластинке 2 и нагревают ее. Температура пластинки при этом оказывается пропорциональной энергии излучения, которая, в свою очередь, зависит от измеряемой температуры. Для измерения температуры пластинки обычно применяют батарею последовательно включенных термопар 3, э.д.с. которой может быть измерена милливольтметром 4 или потенциометром.

Радиационные пирометры РАПИР применяют для измерения температур от 100 до 2500°С. В комплект пирометра входят телескоп ТЕРА-50, измерительный прибор и вспомогательное оборудование, предназначенное для защиты телескопа от воздействия измеряемой среды (копоти, пыли, высокой окружающей температуры).

Условные обозначения приборов для измерения температуры объектов на схеме общей комбинированной по ГОСТ 21.404-85

Обозначение

Наименование

ТЕ

Первичный измерительный преобразователь (чувствительный элемент) для измерения температуры, установленный по месту. Например: преобразователь термоэлектрический (термопара), термопреобразователь сопротивления, термобаллон манометрического термометра, датчик пирометра и т.п.

Т1

Прибор для измерения температуры показывающий, установленный по месту. Например: термометр ртутный, термометр манометрический и т.п.

Т1

Прибор для измерения температуры показывающий, установленный на щите. Например: милливольтметр, логометр, потенциометр, мост автоматический и т.п.

ТТ

Прибор для измерения температуры бесшкальный с дистанционной передачей показаний, установленный по месту. Например: термометр манометрический (или любой другой датчик температуры) бесшкальный с пневмо- или электропередачей

ТR

Прибор для измерения температуры одноточечный, регистрирующий, установленный на щите. Например: самопишущий милливольтметр, логометр, потенциометр, мост автоматический и т.п.

ТJR

Прибор для измерения температуры с автоматическим обегающим устройством, регистрирующий, установленный на щите. Например: многоточечный самопишущий потенциометр, мост автоматический и т.п.

ТRC

Прибор для измерения температуры регистрирующий, регулирующий, установленный на щите. Например: любой самопишущий регулятор температуры (термометр манометрический, милливольтметр, логометр, потенциометр, мост автоматический и т.п.)

ТC

Регулятор температуры бесшкальный, установленный по месту. Например: дилатометрический регулятор температуры

ТRK

ТC

Комплект для измерения температуры регистрирующий, снабженный станцией управления, установленный на щите. Например: вторичный прибор и регулирующий блок системы «Старт»

ТS

Прибор для измерения температуры бесшкальный с контактным устройством, установленный по месту. Например: реле температурное

Система автоматического контроля температуры с термоэлектрическим термометром (термопарой):

1. Контроль температуры посредством электронного потенциометра.

Вторичным прибором для термоэлектрических термометров (ТЭТ) является потенциометр или милливольтметр. В схемах 1 – 1 ТХК-0515 (термопара хромель-копелевая), 1 – 2 потенциометр КСГА (показывающий – I, регистрирующий – R, модель без регулятора). Отличие схем в том, что в схеме а) вторичный прибор расположен по месту, а в схеме б) – на щите.

2. Контроль температуры посредством милливольтметра: 1 – 1 – ТХК-0515, 1 – 2 – М-64 (милливольтметр, модель без регулятора, показывающий).

Контроль температуры с использованием вторичных пневматических приборов системы «Старт».

1 – 1 – ТХА – 0515 (термопара хромель-алюмелевая); 1 – 2 – ПТ-ТП – 68 или НП-ТЛ1-М – нормирующий преобразователь – преобразует неунифицированный электрический сигнал в унифицированный электрический токовый сигнал; 1 – 3 – ЭПП-68 – электропневматический преобразователь – преобразует унифицированный электросигнал в унифицированный пневматический сигнал; 1 – 4 – ПВ4.2П – вторичный прибор системы «Старт» - показывающий, регистрирующий.

4. Контроль температуры посредством миллиамперметра.

1 – 1 – ТХА – 0515; 1 – 2 – НП – ТЛ1 – И – нормирующий преобразователь; 1 – 3 – КСУ-3 – вторичный прибор миллиамперметр, модель 1000, без регулятора.

5. Контроль температуры в нескольких точках.

1 – 1, 1 – 2, 1 – 3 – ТХК-0515; 1 – 4 – КСП-4 (3-точечный автоматический потенциометр). Сигнал с термопар поступает на вторичный прибор, имеющий переключающее устройство, посредством которого производится поочередный опрос термопар (J - обегание). Прибор позволяет снимать показания и регистрировать их. Достоинство схемы – датчика три, а вторичный прибор один.

6. Контроль температуры в нескольких точках посредством ручного переключения датчиков температуры.

1 – 1, 1 – 2, 1 – 3 – ТХК-0515; 1 – 4 – ПМТ-4 – переключатель (Н-ручное воздействие); 1 – 5 – милливольтметр.

Переключением переключателя 1 – 4 в одно из 3-х положений по милливольметру определяют контролируемую температуру. Особенность примера – использование адресной схемы (1 – 1, 2 – 2, 3 – 3 - адреса). Используют ее, чтобы не загромождать технологическую схему «паутиной» соединений. Данный милливольтметр не имеет собственного переключателя, поэтому переключатель 1 – 4 ставится как самостоятельный элемент.

7 Измерение температуры ртутным термометром.

Система автоматического регулирования температуры с термоэлектрическим термометром.

1 – 1 – ТХК-0515; 1 – 2 – КСП-4 (модель с пневматическим регулятором, имеет регулятор приборного типа – буква С); 1 – 3 – ПП12.2 – байбасная панель дистанционного управления – БПДУ – в комплекте с 1 – 2; 1 – 4 – ИМ+РО (исполнительный механизм с регулирующим органом). Согласно схеме, необходимо в т.А поддержать температуру целевого продукта, например 100⁰С. Изменить эту температуру мы можем изменяя расход (подачу) охлаждающей воды. Термопара 1 – 1 воспринимает текущее значение температуры, например 90⁰С. Этот сигнал после термопары в милливольтах поступает в потенциометр КСП-4, где происходит сравнение текущего значения температуры и заданного

значения (100⁰С). В результате сравнения этих сигналов вырабатывается управляющий сигнал, пропорциональный величине рассогласования и усиливается. Регулятор приборного типа воздействует на исполнительный механизм регулирующего органа, количество охлаждающей воды, поступающей в теплообменник, уменьшается, температура целевого продукта возрастает. БПДУ (1 - 3) служит для ручного управления в случае выхода из строя регулятора.

Система автоматического контроля температуры с использованием манометрического термометра.

Термобаллон манометрического термометра, как первичный преобразователь, не является отдельным изделием, поэтому ему присваивают такой же номер позиции, как и промежуточному преобразователю.

6 – 1 – ТПГ4-У – манометрический термометр с унифицированным электрическим выходным сигналом;

6 – 2 – КСУ-3 – миллиамперметр модель 1000 (без регулятора – он здесь не нужен). На него поступает токовый сигнал, пропорциональный величине температуры.

2. Измерение температуры манометрическим термометром с использованием пневматического вторичного прибора и звуковой сигнализацией.

7 – 1 – ТПГ4-У – манометрический термометр с унифицированным пневматическим выходным сигналом. 7 – 2 – ПВ4.1П – вторичный пневматический прибор. 7 – 3 – ЭКМ-1У – электроконтактный манометр. НА1 – электрический звонок.

Сигнал с манометрического термометра поступает одновременно на 7-2 и 7-3. Контакты электроконтактного манометра настроены на определенное значение температуры. При достижении этой температуры, замыкаются контакты (буква S в обозначении 7-3) и электрическая цепь с подключенным электрическим звонком оказывается под напряжением. Оператор получает звуковой сигнал о достижении заданной температуры. Н – верхнее значение температуры, устанавливаемое оператором.

Система автоматического регулирования с использованием манометрического термометра и приборов системы «Старт».

9 – 1 – ТПГ4-У – манометрический термометр с пневматическим выходным сигналом; 9 – 2 – ПВ10.1П – вторичный пневматический прибор системы «Старт», показывающий (I), регистрирующий (R), со станцией управления (K); 9 – 3 – ПР3.31 – регулятор системы «Старт», навешивается на ПВ10.1П, поэтому условные обозначения (кружки) слитно; 9 – 4 – исполнительный механизм с регулирующим органом.

Система автоматического регулирования температуры с использованием миллиамперметра.

10 – 1 – ПТГ4-У1 – манометрический термометр с электрическим токовым выходным сигналом; 10 – 2 – КСУ-3 – миллиамперметр модели 1800 с пневморегулятором внутри прибора; 10 – 3 – ПП12.2 – байпасная панель дистанционного управления; 10 – 4 – исполнительный механизм (ИМ) с регулирующим органом (РО).

В случае отличии текущей температуры в т.А от заданного значения (задатчик прибора 10 - 2) вырабатывается сигнал рассогласования, усиливается и воздействует на ИМ, перемещая РО. При этом в зависимости от знака сигнала рассогласования увеличивается или уменьшается подача охладителя.