Измерители температуры

В промышленности из всего объёма измерений неэлектрических величин около 60% занимает измерение температуры как контактным, так и бесконтактным способами. В настоящее время разработано и производится более 100 типов датчиков, количество модификаций и типоразмеров более 7000, включая общепромышленное и взрывозащищенное исполнение. Выпускают датчики для измерения температуры: твердых, сыпучих, жидких и газообразных, окислительных и инертных сред, химически агрессивных и неагрессивных сред; в газотурбинных и паротурбинных установках на объектах теплоэнергетики; продуктов сгорания жидкого и газообразного топлива со скоростью потока до 170 м/с и давлением до 25,5 МПа; в доменном производстве; поверхности твердых тел; в ваннах электролизеров и разливочных миксерах в алюминиевом производстве и многое другое.

Эти датчики предназначены для измерения мощности теплового потока через строительные ограждающие конструкции (стены, оконные и дверные блоки и т. п.), для определения качества теплоизоляции теплотрасс и для определения теплопроводности строительных и других теплоизоляционных материалов.

Температура – физическая величина, характеризующая степень нагретости тела. Для определения температуры установлены температурные шкалы: международная практическая (стоградусная) и абсолютная термодинамическая – шкала Кельвина. Исходными значениями при построении шкалы температуры и определении единицы измерения (градуса) являются температуры перехода чистых веществ из одного агрегатного состояния в другое. В Международной системе измерений СИ единицей измерения температуры является градус Кельвина (Т К). В промышленных измерениях отсчет температуры ведется по шкале Цельсия (t °С). Для шкалы Кельвина температура абсолютного нуля соответствует –273,16 °С. Поэтому температурную шкалу Кельвина (Т К) и шкалу Цельсия (t °С) связывает следующее соотношение: T К= t °С+273,16 °С.

Принцип действия и конструкция. Жидкостные стеклянные термометры. Принцип действия термометров основан на объемном расширении жидкости, находящейся в стеклянном расширителе, под действием температуры. В качестве рабочей жидкости, помещенной в стеклянный расширитель, используется ртуть, спирт, толуол, керосин и т. д. Рабочая часть термометра (расширитель) устанавливается в зону контролируемой температуры; при нагревании расширителя жидкость увеличивается в объеме: V_t = V ₀(1+g t), где V ₀– объем жидкости при 0°С, V_t – объем жидкости при нагревании на 1°С; g– коэффициент объемного расширения, t – разность температур, °С.

Рис. 5.62. Ртутные стеклянные термометры: а – прямые типа А, б – угловые типа Б, в – электроконтактные; 1 – корпус; 2 – шкала, 3 – капилляр; 4 – расширитель; 5 – заглушка; 6 – контакты

При увеличении температуры объекта увеличивается объем жидкости в расширителе, за счет этого жидкость поднимается вверх по капилляру и устанавливается на соответствующей высоте, пропорционально температуре нагрева. Отсчет температуры производится по шкале, отградуированной в градусах Цельсия. Цена деления шкалы зависит от внутреннего диаметра капилляра и типа рабочей жидкости. Устройство и общий вид жидкостных стеклянных термометров представлен на рис. 5.62.

В зависимости от формы нижней (рабочей) части термометры подразделяются на прямые – типа А и угловые – типа Б с углом 90 или 135°. Стеклянные термометры выпускают двух видов: технические и лабораторные. Для защиты приборов от механических повреждений используют защитные оправы типов А, Б, В, соответствующие рабочему давлению измеряемой среды – низкое, среднее, высокое. Данная группа приборов используется для местного контроля температуры технологических объектов, трубопроводов и т. д.

Манометрические термометры. Принцип действия приборов основан на использовании зависимости изменения давления рабочей жидкости, помещенной в постоянный объем датчика, от температуры измеряемого объекта.

На рис. 5.63 показаны общие виды приборов данной группы. Термобаллон 1 устанавливают в зону контролируемой температуры. При изменении температуры изменяется объем рабочего вещества в замкнутой системе прибора. Это приводит к изменению давления, действующего на манометрическую пружину, которая, деформируясь, перемещает за счет передаточного механизма измерительную стрелку прибора.

Рис. 5.63. Манометрические термометры: а – типа ТПГ-СК, б – типа ТС-100: 1 –термобаллон; 2 – капилляр; 3 – прибор

Термобаллон 1 изготовляют из латуни или стали. В зависимости от предела измерения температуры он имеет длину 120–160 мм и диаметр 18–25 мм. Капиллярная трубка 2, соединяющая термобаллон и измерительный прибор, изготовлена из стали или латуни; внутренний диаметр трубки 0,3–0,5 мм. Для защиты от механических повреждений она защищена по всей длине металлорукавом. Приборы данной группы имеют электрические сигнальные контакты, используемые в цепях управления технологических процессов. За счет большой массы датчика (термобаллона) данные приборы имеют значительные запаздывания (инерционность) показаний в пределах 40 – 80 с.

Манометрические термометры используют как для местного, так и дистанционного контроля температуры. Датчик температуры (термобаллон) устанавливают в контролируемой зоне, а сам прибор может монтироваться в щитах и пультах, с учетом длины соединительной капиллярной трубки. Монтажная длина трубки в зависимости от модификации прибора составляет 2,5; 4; 6; 10; 16; 25 м.

При измерении температуры объектов широко используются датчики температуры – термометры сопротивления и термоэлектрические преобразователи температуры (термопары). Эти типы датчиков самостоятельно не измеряют температуру объектов, а работают для этих целей только со специальной группой измерительных приборов.

Принцип действия и конструкция металлических терморезисторов. Терморезистором называется измерительный преобразователь, активное сопротивление которого изменяется при изменении температуры. В качестве терморезистора может использоваться металлический или полупроводниковый резистор.

Датчики температуры с терморезисторами называются термометрами сопротивления. Терморезистор (непосредственно датчик температуры) устанавливается непосредственно в зоне контролируемой температуры и соединяется с прибором с помощью кабеля через зажимы.

Имеются два вида терморезисторов: металлические и полупроводниковые.

Как известно, сопротивление металлов увеличивается с увеличением температуры. Для изготовления металлических терморезисторов обычно применяются медь или платина. Функция преобразования медного терморезистора линейна:

R_t = R ₀(1+a),

где R ₀ – сопротивление при 0° С; a = 4,28´10^-3K^-1 – температурный коэффициент.

Функция преобразования платинового терморезистора нелинейна и обычно аппроксимируется квадратичным трехчленом. Температурный коэффициент платины примерно равен a = 3,91´10^-3K^-1.

При изготовлении платиновых терморезисторов используются более теплостойкие материалы. Основные параметры наиболее распространенных медных и платиновых терморезисторов и их погрешность определяются ГОСТ 6651-84.

Рис. 5.64. Конструкция термометров сопротивления: а, б – платиновые; в – медный; 1 – изоляционный каркас; 2 – обмотка; 3 – выводы

Термометры сопротивления – датчик для измерения температуры – конструктивно выполняется бифилярной в несколько слоев намоткой медной или платиновой проволоки 2 диаметром 0,1 мм на изоляционный каркас 1 (рис. 5.64). Сверху катушка покрыта глифталевым лаком. Для защиты от механических повреждений и удобства монтажа термометры сопротивления заключают в защитную арматуру. К концам обмотки припаиваются медные выводные провода 3 диаметром 1,0 – 1,5мм. Провода изолированы между собой асбестовым шнуром или фарфоровыми трубочками. Чувствительный элемент вставляется в тонкостенную металлическую гильзу. Гильза с выводными проводами помещается в защитный чехол, который представляет собой закрытую с одного конца трубку.На открытом ее конце помещается клеммная головка. Для удобства монтажа защитный чехол имеет фланец.

Принцип действия таких датчиков основан на изменении их электрического сопротивления от температуры объекта. В общем виде зависимость имеет вид R_t = R ₀(1+a t), где R_t –сопротивление датчика при его нагревании на t °C; R ₀ – сопротивление датчика при 0°С; a – температурный коэффициент. Изменение электрического сопротивления термометра сопротивления связано с изменением теплового колебания кристаллической решетки металла: чем выше температура датчика, тем выше колебания решетки и степень подвижности свободных электронов и больше электрическое сопротивление.

Схемы включения металлических терморезисторов. Термометр сопротивления и провода, соединяющие его со вторичным прибором, включены последовательно. Обычно используются медные провода, сопротивление которых зависит от их температуры. Температурные изменения сопротивления проводов приводят к погрешности измерения температуры.

Вторичные преобразователи термометров сопротивления выполняются такими, чтобы максимально уменьшить эту погрешность. Если требуется наибольшая точность измерения температуры, используется компенсационный метод. Благодаря компенсационному методу измерения отсутствует падение напряжения на проводах, соединяющих термометр с потенциометром, и их сопротивление не влияет на результат измерения.

Термометр сопротивления может подключиться к мосту с помощью двух– или трехпроводного кабеля. Двухпроводный кабель дешевле, однако при его использовании сопротивления обоих проводов включаются последовательно с термометром в одно плечо. Токоведущие жилы кабеля выполнены из медного провода: при изменении температуры их сопротивление изменяется, что вносит погрешность в измерение. Двухпроводный кабель используется в тех случаях, когда его температура постоянна и погрешность, обусловленная ее изменением, незначительна.

При включении термометра по трехпроводной схеме по одной жиле кабеля к термометру подводится напряжение питания. К плечам моста термометр подсоединяется с помощью двух других жил, включенных в смежные плечи моста. Одинаковые изменения их сопротивлений практически не разбалансируют мост. Таким образом, исключается погрешность, которая могла бы быть при изменении температуры кабеля. Сопротивление терморезистора определяется его температурой, которая задается не только окружающей средой, но и от проходящего по нему току. Перегрев медного термометра током не должен превышать 0,4° С, а платинового – 0,2° С. Для этого ток не должен превосходить 10 – 15мА.

Полупроводниковые терморезисторы. Чувствительный элемент полупроводникового терморезистора – термистора – изготавливается из окислов различных металлов: меди, кобальта, магния, марганца и др. Размолотые в мелкий порошок компоненты прессуются и спекаются в виде столбика, шарика или шайбы. В надлежащих местах напыляются электроды и подпаиваются выводы из медной проволоки. Для предохранения от атмосферных воздействий чувствительный элемент термистора покрывают защитной краской, помещают в герметизирующий металлический корпус или запаивают в стекло.

С увеличением температуры сопротивление термисторов уменьшается. Их функцию преобразования аппроксимируют выражением

R_t = A exp(B / T),

где R_t – сопротивление термистора при температуре Т в кельвинах; А и В – постоянные, зависящие от материала и технологии, причем А зависит, кроме того, от размеров термистора и его формы.

Термисторы изготавливаются с номинальным сопротивлением (при 20 ° С) от 1 до 200кОм. В зависимости от типа они могут применяться для измерения температур от -100 до 120 – 600 ° С. Их чувствительность в 6 – 10 раз больше, чем чувствительность металлического терморезистора. Кроме того, термисторы имеют значительно меньшие массы и размеры. Имеются термисторы, выполненные в виде шариков диаметром от 0,006 до 2,5мм. Теплоемкость таких термисторов на несколько порядков меньше, чем у металлических терморезисторов. Малая теплоемкость обусловливает малую инерционность термисторов. Имеются термисторы с постоянной тепловой инерцией несколько миллисекунд. Недостатком термисторов является нелинейность функции преобразования, большой разброс их параметров, а также старение и некоторая нестабильность характеристик. В течение первой недели их сопротивление может измениться на 1 – 1,5%, а за несколько месяцев еще на 1%. В дальнейшем изменение сопротивления термистора происходит медленнее, не превышая 0,2% в год.

Термисторы обычно включаются в схему неравновесного или автоматического моста. Приборы имеют индивидуальную градуировку, что обусловлено большим разбросом параметров и характеристик преобразователей. Ко вторичному прибору термисторы подсоединяются с помощью двухпроводного кабеля. Погрешность, вызванная изменением параметров кабеля, ничтожна, поскольку сопротивление и чувствительность термистора много больше сопротивления линии связи и ее чувствительности к изменению температуры.

Термисторы применяются для измерения температуры в тех случаях, когда не требуется высокая точность, но нужно измерить температуру малых объектов, обладающих малой теплоемкостью.

Полупроводниковый сигнализатор температуры типа ПТР широко используется в автоматизации температурных процессов.

Рис. 5.65. Полупроводниковый регулятор температуры ПТР: а – общий вид: 1 – датчик, 2 – корпус регулятора, 3 – задатчик температуры, 4 – задатчик температуры, 5 – кабель, 6 – выводы

Принцип работы измерительной схемы прибора – мостовой. Датчик температуры, входящий в одно из четырех плеч моста, – полупроводниковый резистор. Если температура «задания» равна контролируемой температуре, измерительный мост уравновешен, и сигнал на выходе моста равен нулю. При отклонении температуры от заданной мост разбалансируется за счет изменения сопротивления термистора датчика и выходное реле выдаст соответствующий сигнал. Общий вид сигнализатора-регулятора типа ПТР представлен на рис. 5.65.

Термопара (термоэлектрический преобразователь температуры) представляет собой спай двух проводников А, B (термоэлектродов). Место соединения термоэлектродов называется горячим (рабочим) спаем, а противоположные концы холодным (свободным). Согласно эффекту Зеебека, в замкнутой электрической цепи, образованной двумя разнородными проводниками, при нагревании «горячего» спая на концах «холодного» спая возникает термо-Э.Д.С. постоянного тока (рис. 5.66), зависящая от рода металлов и пропорциональная разности температур спаев, и не зависит от других параметров: диаметра (сечения), длины и удельного сопротивления термоэлектродов, т. е. Е_AB=f (t°C). ЭДС термопары не превосходит 50 мВ.

Если t ₁ =t ₂,то они равны между собой и, будучи противоположно направленными, взаимно уравновешиваются. Если же t ₁¹ t ₂, то в цепи развивается результирующая термоЭДС

E = E_{AB ( t 1)}– E_{AB ( t 2)}. (5.21)

Из (5.21) следуют свойства термопары:

Рис. 5.66. Соединение термоэлектродов в термопару

1. Если в цепи термопары включен третий проводник (проводник R на рис. 5.66, б) и его концы находятся при одинаковых температурах, то включение этого третьего проводника не изменяет ЭДС цепи. Третьим проводником могут быть провода прибора, измеряющего ЭДС термопары, и провода, соединяющие его с термопарой.

Рис. 5.67. Термоэлектрический преобразователь температуры (термопара): 1 – защитная гильза; 2 – горячий спай; 3 – фарфоровый наконечник; 4 – фарфоровые бусы-изоляторы; 5 – головка; 6 – выводы

2. ЭДС термопары является функцией двух независимых температур – температур ее спаев Е=Е (t ₁, t ₂) – и не зависит от температур других точек термопары.

3. Если термопара имеет температуры спаев t и t ₀, то термоЭДС равна алгебраической сумме двух ЭДС, одна из которых генерируется при температуре спаев t и , другая – при температурах и t ₀:

Е (t, t ₀)= Е (t, )+ Е (, t ₀). (5.22)

Это свойство используется при измерении температуры спая t, если температура второго спая отличается от температуры t ₀, при которой была произведена градуировка термопары. При t ₀ = 0 функция Е (t, 0) представляет собой градуировочную функцию преобразования данной термопары. Значение Е (t, ) определяется экспериментально, а значение Е (, 0) – по значению температуры и градуировочной функции преобразования. По значениям Е (t, ) и Е (, 0) вычисляется Е (t ₀, 0), по которой определяется измеряемая температура.

На рис. 5.67 представлена конструкция термопары типа ТХК. Рабочий (горячий) спай выполняется скруткой и сваркой двух разнородных материалов – хромеля и копеля. Для защиты датчика от механических повреждений при измерении температуры объектов они помещаются в жаропрочный корпус. Рабочий спай 2 изолирован от корпуса фарфоровым наконечником 3; электроды для защиты от замыкания между собой или корпусом изолируются фарфоровыми бусами 4. Концы термоэлектродов через асбестовое уплотнение выводятся на блок зажимов. Для герметизации блок зажимов головки термопары закрывается крышкой с резиновым уплотнением. Датчики могут работать под избыточным давлением, для этого на корпусе имеется резьба, с помощью которой осуществляется уплотнение технологического отверстия для измерения температуры. Общий вид термоэлектрических преобразователей температуры представлен на рис. 5.68.

Рис. 5.68. Общий вид термоэлектрических преобразователей температуры: а - ТХА, ТХК, б - ТХК-0379, в - ТХК.-089

Наиболее часто используются термоэлектрические преобразователи температуры ТХК (хромель–копель) c диапазоном измерения – 200...+ 600°С, ТХА (хромель–алюмель) –200...+1000 °С, ТПП (платинородий (10%)–платина) 0...+1300 °С, ТВР (вольфрамрений (5%)–вольфрамрений (20%)) 0...2200 °С.

Схемы включения. Рабочий конец термопары погружается в среду, температуру которой требуется измерить. Свободные концы подключаются к вторичному прибору. Если температура свободных концов постоянна, то подключение может быть сделано медным проводом, а если не постоянна, то оно выполняется специальными удлинительными (компенсационными) проводами. Провода подбираются так, чтобы при температуре свободных спаев и в паре между собой они имели такие же термоэлектрические свойства, как и рабочая термопара. При подсоединении к термопаре компенсационные провода удлиняют ее и дают возможность отвести холодный спай образованной составной термопары в такое место, где температура остается постоянной.

Для увеличения стабильности напряжения E _к и точности измерения температуры используют мост, который питается от стабилизированного источника питания, а сопротивления плеч моста изготавливается из манганинового провода. В качестве вторичных преобразователей используются либо магнитоэлектрические милливольтметры, либо потенциометры постоянного тока. В лабораторной практике используются потенциометры с ручной компенсацией, а в производственной – автоматические потенциометры. Современные автоматические потенциометры имеют основную приведенную погрешность измерения ± (0,25 – 1) %, погрешность регистрации ± (0,5 – 1) %. Для увеличения стабильности напряжения Е _к и точности измерения температуры мост питается от стабилизированного источника напряжения ИПС, а сопротивления плеч моста изготавливаются из манганинового провода.

Погрешность термоэлектрического термометра. Одним из источников погрешности термоэлектрического термометра является несоответствие температуры свободных концов термопары температуре, при которой была произведена градуировка.

Номинальная функция преобразования термопар со стандартной градуировкой задается градуировочной таблицей. Она определяет зависимость ЭДС Е (t, t ₀)термопары от измеряемой температуры t при температуре свободных спаев t ₀ = 0 ° С. Если в условиях измерения температура свободных спаев не равна температуре t ₀, то ЭДС термопары Е (t, ) отличается от ЭДС Е (t, t ₀), которая нужна для определения температуры по стандартной градуировке. Введение поправки основано на третьем свойстве термопары.

Второй член Е (, t ₀) правой части равенства (5.22) определяет поправку. Е (, t ₀) представляет собой ЭДС термопары при условии, что ее свободные концы находятся при температуре градуировки t ₀, а рабочие – при температуре . Значение Е (, t ₀) определяется по таблице стандартной функции преобразования. Вследствие неравенства температур t ₀ ¹ показание пирометрического милливольтметра не равно действительной температуре. Поправка к его показаниям:

D t = k ( – t ₀),

где k –коэффициент, зависящий от измеряемой температуры и от вида термопары.

Для хромель-копелевой термопары он лежит в пределах 0,8–1; для хромель-алюминиевой–в пределах 0,98–1,11; для платинородий-платиновой–в пределах 0,82–1,11. При малом значении D t = – t ₀ в ряде случаев можно принять k= 1. Это позволяет вводить поправку в показания милливольтметра с помощью корректора нуля. При отключенной термопаре стрелку прибора с помощью корректора ставят на отметку, соответствующую . При включении термопары и измерении температуры показания будут больше некорректированных на значение D t. Такое введение поправки целесообразно, когда значение сохраняется постоянным.

В показания автоматического потенциометра поправка вводится автоматически. Для этого в одно из плеч моста включена катушка, намотанная медной проволокой, сопротивление которой R _м= R ₀(1 + a ) зависит от ее температуры. Катушка помещена возле зажимов потенциометра, к которым подводятся удлинительные провода, и имеет температуру свободных концов “составной” термопары. Температурное изменение сопротивления катушки создает дополнительный разбаланс моста, равный ЭДС поправки Е (, t ₀). Поправка пропорциональна отклонению температуры свободных концов от их номинальной температуры t ₀=0 ° С. Другим источником погрешности термоэлектрического термометра является изменение сопротивления измерительной цепи термоэлектрического преобразователя.

В качестве милливольтметра применяются приборы магнитоэлектрической системы. Для повышения чувствительности они выполняются с относительно малым внутренним сопротивлением. При этом измеряемое напряжение зависит от сопротивления внешней цепи. Внешняя цепь милливольтметра состоит из термопары, удлинительных и соединительных проводов и специальных манганиновых уравнительных (подгоночных) катушек. Изменение сопротивления этих элементов приводит к погрешности термоэлектрического термометра. Приведенная погрешность, вызванная изменением сопротивления внешней цепи на D R _ц, равна

c=D t / t _max»D U / U _max=D R _ц/(R _ц+ R _в),

где R _в– внутреннее сопротивление милливольтметра; R _ц– номинальное сопротивление его внешней цепи.

Сопротивление милливольтметра R _в и номинальное сопротивление внешней цепи R _вн.ном, при котором он градуировался, указываются на его шкале. Термоэлектрический термометр с потенциометром свободен от рассматриваемой погрешности. В момент компенсации измеряет термоЭДС, поскольку по внешней цепи ток не течет и на ее сопротивлении отсутствует падение напряжения.

Вторичные приборы для измерения температуры. Логометры[3] и милливольтметры в силу своей простоты и надежности широко используются как показывающие и сигнализирующие приборы для местного и дистанционного контроля температуры. Логометры работают только в комплекте с датчиками температуры – термометрами сопротивления соответствующих градуировок; милливольтметры – с термоэлектрическими преобразователями температуры (термопарами).

Рис. 5.69. Общий вид регистрирующего моста типа КСМ-2

Регистрирующие мосты и потенциометры позволяют регистрировать контролируемые параметры с записью их значений на диаграммной ленте, осуществлять одновременный контроль от одного до двенадцати параметров, а также выдавать автоматическую сигнализацию их предельных параметров. На рис. 5.69 показан пример приборов данной группы.

Автоматические регистрирующие приборы типаКСУ-2, КСУ-4 регистрируют измеряемую величину непрерывно на диаграммной ленте при движении каретки вдоль шкалы. Записывающее устройство одноканального прибора состоит из пишущего узла, закрепленного на каретке.

Дата добавления: 2014-12-16