Методи та за­соби вимірюван­ня температури

Температура харак­теризує ступінь на­грівання тіла і визна­чається кількістю внутрішньої кіне­тичної енергії тепло­вого руху молекул.

Рис.2.5. Пневмосиловий перетворювач

При контакті двох тіл теплота від більш нагрітого переходить до менш нагрітого тіла і в результаті теплообміну температура вирівнюється. Виміряти температуру безпосередньо неможливо, тому визначаються певні властивості термометричного тіла, якими можуть бути: об'єм, лінійні розміри, електричний опір, терморушійна сила та ін.

В 1848 році Кельвін, виходячи з другого закону термодинаміки (обернений цикл Карно), запропонував визначати температуру на основі рівності: Ті/T₂=Q₁/Q₂. Це співвідношення не залежить від властивостей робочого тіла, а лише від кількості теплоти. Шкалу назвали термодинамічною температурною шкалою Кельвіна, а виміряна температура позначається літерою Т. За одиницю температури прийнято кельвін (К).

Для збереження сумісності термодинамічної і стоградусної температурної шкали Цельсія температурний проміжок між точками розтавання льоду і кипіння води залишили рівним 100 - таким чином, один градус Цельсія дорівнює кельвіну.

Залежно від принципу дії промислові засоби вимірювання температури розділяються на такі групи з відповідними межами вимірювання: термометри розширення: - 200°С до 600°С; манометричні термометри: -200°С до 1000°С; термометри опору: -260° до 1000°С, термоелектричні термометри: -270°С до 2800°С;. пірометри: -50°С до 3500°С.

Термометри розширення. Принцип дії скляних рідинних термометрів грунтується на тепловому розширенні термометричної рідини, розміщеної в скляному резервуарі, під впливом температури. Приріст об'єму рідини під дією температури має залежність:

∆V=(β-3·α)-(t-t_o)-V_o, [м³] (2-15)

де α і β - коефіцієнти об'ємного розширення відповідно рідини і скла термобалона, 1/°С; t - вимірювана температура, °С;

t₀ - температура рідини, якою заповнена термосистема, рівна 20°С;

V - об'єм термобалона, м³.

В скляних термометрах використовуються такі термометричні рідини: ртуть Hg, етиловий спирт С₂Н₅ОН, толуол С₆Н₅СН₃, пентан С₅Н₂ гас та інші. За призначенням скляні термометри діляться на групи: зразкові, лабораторні та технічні.

Принцип дії дилатометричних та біметалевих термометрів ґрунтується на зміні своїх лінійних розмірів під впливом температури:

l_t = l_о - [1+ α ·(t-t₀)] [м], (2.16)

де l _о і l_t ,- лінійні розміри чутливого елемента при температурі 20°С та t, м; а - середній коефіцієнт лінійного розширення твердого тіла, ⁰C^-1; t₀ і t - температура відповідно до градуювання (20°С) та вимірювання,⁰ С.

Дилатометричні термометри випускаються промисловістю на діапазони вимірювання в інтервалі від-30 до 1000°С, класи точності 1,5;2,5.

Біметалеві термометри випускаються на діапазони вимірювання в інтервалі від 60 до 700° С, класи точності 2,0 і 2,5. Крім того, біметалеві елементи використовуються для термокомпенсації.

Принцип дії манометричних термометрів ґрунтується на залежності тиску у замкненому об’ємі від температури. Манометричний термометр (рис.2.6) складається з термоблока 1, капілярної трубки 2, манометричної трубчастої пружини 3, стрілки приладу 4, біметалевого провідка 8, зубчастого сектора 7,зубчастого колеса 6 та шкали приладу 5.

Під впливом температури тиск робочої речовини в термобалоні збільшується і по капіляру 2 передається манометричній труб­частій пружині 3, яка під дією тиску розкручується, вільний її кінець через повідок 8 і зубчасту передачу 6 та 7 переміщує стрілку 4 чи перо приладу по його шкалі 5. Термобалон виготовляється із корозієстійкої сталі а капіляр - і₃ стальної чи мідної трубки 00,15-0,5 мм. Манометрич­ні трубчасті пружини можуть бути одно - та багатовиткові (спіралеподібні та гелікоїдальні).

Залежно від термометричної речовини манометричні термометри бувають газові, рідинні та конденсаційні для різних меж вимірювання температури (табл.2.2).

Манометричні термометри використовуються для вимірювання температури в інтервалі від -260 до 600°С при довжині капілярної трубки в межах ряду: 1; 1,6; 2,5; 4; 6; 10; 16; 25 і 40 м.

Рис.2.6. Манометричний термометр

Таблиця 2.2

Межі вимірювання температури манометричними термометрами

Термометри	Термометричні речовини	Межі температур, °С
Газові Рідинні   Конденсаційні	Азот, гелій, водень Ртуть Ксилол Метиловий спирт Силіконова рідина Хлорметил Ацетон Бензол	-260....+600 -40....+600 -40....+180 -40....+180 -15О....+300 -20....+150 -60....+200 -І00....+250

Залежність тиску термосистеми від температури описуєтеся рівнянням:

P_t = P₀ - [1+α - (t - t₀)], (2.17)

де α = 1/273,15 - температурний коефіцієнт розширення газу; t₀ і t - початкова і кінцева температури,°С; Р_о - початковий тиск в термосистемі при температурі t₀, МПа. Промисловістю випускаються як показуючи, так і самописні манометри типів ТГП і ТГС класів точності 1,0; 1,5; 2,0; 2,5.

Термоелектричні термометри. В основу вимірювання температури термомоелектричними перетворювачами (термопарами) покладено термоелектричний ефект, суть якого полягає в тому, що у замкненому електричному колі, до складу якого входять два і більше різнорідні метали (рис.2.7), виникає електричний струм, якщо місця з'єднання цих провідників мають різні температури. З'єднання, яке має температуру t, називається робочим (гарячим), а з'єднання, що має постійну температуру t₀ - вільним кінцем термопари. Провідники А і В називаються термоелектродами.

Термоелектричний ефект пояснюється наявністю вільних електронів в металах електродів, число яких в одиниці об'єму для різних металів різне. Припустимо, що у з'єднанні двох термоелектродів з температурою t електрони з металу А дифундують в метал В в більшій кількості, ніж у зворотному напрямку, тому метал А заряджується позитивно, а метал В - від'ємно. Електричне поле, яке виникає в місці з'єднання (спайці) двох металів, перешкоджає цій дифузії, і коли швидкість дифузійного переходу електронів з металу А в метал В стане рівною швидкості їх зворотного переходу по замкненому колу під впливом сталого електричного поля, наступить стан рухомої динамічної рівноваги. При такому стані між провідниками А і В виникає різниця потенціалів, величина якої пропорційна температурі з'єднаних електродів. Ця різниця потенціалів називається контактною термоелектрорушійною силою (ТЕРС) термопари. Проте в простому термоелектричному колі, до складу якого входять провідники А і В, виникають термо-ЕРС в обох спайках. Сумарна ТЕРС замкненого кола із двох провідників А і В, спайки яких мають різні температури, дорівнює:

Рис.2.7. Термопара

Таким чином, ТЕРС термопари не залежить від кількості послідовно підключених провідників, а лише від різниці температур робочої та холодної спайок провідників термопари.

Якщо ж температура вільного кінця дорівнює 0°С, то вимірювану температуру визначають безпосередньо за градуювальною таблицею відповідного термоелектричного термометра.

Статичні характеристики стандартних термоелектричних перетворювачів наведені на рис. 2.8. Різні термоперетворювачі

розвивають різні термо-ЕРС при одній і тій же температурі, їх градуювальні характеристики інди­відуальні для кожного типу. Тому при вимірюванні температури за допо­могою перетворювачів необхідно дотримуватись відповідного гра­дуювання - як для термопере­творювача, так і для вимірювального приладу. Градуювання проставляється на головці термоперетворювача і на шкалі приладу.

Відповідно до державних стандартів найбільшого поширення набули стандартні термоелектричні перетворювачі (табл. 2.3), електроди яких виготовлені як з чистих металів, так і зі сплавів.

Рис. 2.8. Статичні характеристики стандартних термоелектричних перетворювачів

Таблиця 2.3

Основні дані термоелектричних перетворювачів

Матеріали електродів	Позначення градуювальної характеристики	Температурні межі вимірювання, ^0С	ТЕРС при 100 ^0С, мВ
нижня	верхня
Платинородій (10% родію) - платина	S(ПП)			0,64
Платинородій (30% - родію) платинородій (6% родію)	В(ПР)
Хромель - алюмель	К(ХА)	-200		4,10
Хромель – копель	ХК	-200		6,95
Вольфрамреній (5% Re) – вольфрамреній (20% Re)	ВР – 5/20			-

Принцип дії магнітоелектричного мілівольтметра (рис.2.9) ґрунтується на взаємодії двох магнітних полів: постійного магнітного поля приладу N-S та магнітного поля рамки, по якій проходить струм від термоперетворювача. Сила струму залежить від температури вимі­рювання: чим вища температура в об'єкті, тим більша ТЕРС, а відповідно - більший струм. Сила F, яка діє на рамку, спрямована перпендикулярно до напрямку струму та магнітного потоку, пропорційна кількості витків рамки я, довжині активних провідників 1, силі струму І, магнітній індукції В та синусу кута між напрямком струму і магнітного поля:

F = nlIBsin(IB) (2-19)

Рис.2.9. Магнітоелектричний термометр

Сила F діє на рамку по дотичній до кола з діаметром d рамки, Виходячи з цього обертаючий момент (Моб), який діє на рамку, дорівнює:

M_o6 = F·d = n·l·I·B·d. (2.20)

Одночасно з обертаючим моментом на рамку 1 діє і зрівноважуючий механічний момент (Ммех) берилієвих розтяжок 2, якими жорстко закріплена рамка в магнітному полі. Механічний момент утворюється за рахунок скручування розтяжок і пропорційний куту обертання ф та питомому протидіючому моменту W. При наявності такого протидіючого моменту рамка повертається до повного зрівноваження моментів:

M_o6 = M_Mex ; n·l·I·B·d=W, (2.21)

звідки: (2.22)

де К - чутливість вимірювального механізму до струму. Таким чином, кут обертання пропорційний чутливості вимі­рювального механізму і струму, який проходить по рамці.

До рамки мілівольтметра жорстко прикріплена алюмінієва стрілка З, яка зрівноважена вагами 5. За положенням стрілки на шкалі визначається значення вимірюваної величини.

Рис.2.10.Схема автоматичного потенціометра

В основу роботи автоматичного потенціометра (рис.2.10) покладено компенсаційний метод, суть якого полягає в тому, що вимірювана ТЕРС термоперетворювача Етп компенсується напругою вимірювальної діагоналі а-в мостової схеми потенціометра. Сигнали від ТЕРС термоперетворювача Етп та вимірювальної діагоналі Uав включені послідовно і зустрічно. Якщо U_АВ ≠ Етп, то на вхід електронного підсилювача ЕП подається різницевий сигнал, який підсилюється, і на об мотку управління реверсивного двигуна РД подається напруга з частотою 50 Гц. Двигун через редуктор переміщує повзунок по реохорду, компенсуючи таким чином ТЕРС термоперетворювача до повного зникнення сигналу небалансу (ДЕ = 0). РД при цьому зупиниться, а стрілка на шкалі приладу покаже значення вимірюваної температури.

Для автоматичного введення поправки на температуру вільних кінців термоперетворювача у мостову схему потенціометра включено мідний резистор Rm. Всі інші резистори схеми - манганінові. Потенціал точки "а" відповідає потенціалу робочого кінця ТП, а точки "в" - потенціалу його вільних кінців.

Промисловість випускає мілівольтметри типів: Ш-69003, Ш-69004, Ш-4500, Ш-4540, Ш-4541, МВУ6-4І, М1530, М1730, а також автоматичні потенціометри: як показуючи типів КПП і КВП, так і самописні типів КСП-1, КСП-2, КСП-4, ДИСК-250, РП-160 та ін. Класи точності мілівольтметрів: 1,0; 1,5; 2; 2,5, а потенціометрів: 0,25; 0,5; 1,0.

Нормувальні перетворювачі для роботи з термоелектричними термометрами. Для перетворення термо-ЕРС термоелектричних термометрів в уніфіковані сигнали постійного струму: 0...5 мА, 0...20 мА, 4...20 мА використовуються нормувальні перетворювачі.

Принцип їх дії (рис. 2.11) ґрунтується на статичній автокомпенсації. Сигнал Е (t; t₀) від термоелектричного термометра подається на вимі­рювальний міст постійного струму і на вхід підсилювача ЕП. Міст складається з манганінових резисторів R₁; R₂; R₃ і мідного резистора Rm, за допомогою якого вводиться термокомпенсація вільних кінців термометра. Опір Rm розміщується поряд з вільними кінцями термометра. Таким чином, термо-ЕРС термоелектричного термометра за допомогою моста постійного струму коригується на величину падіння напруги вимірювальної діагоналі Ucd, і загальний сигнал термоелектричного термометра дорівнює: E(t; t₀) + U_cd. Електронний підсилювач ЕП виконаний по схемі модулятор-демодулятор. Демодульований сигнал підсилюється електронним підсилювачем постійного струму, вихідний струм Івих якого через резистор навантаження Rh подається на пристрій зворотного зв'язку ПЗЗ. Струм зворотного зв'язку Із.з., проходячи по резистору зворотного зв'язку R3.3., утворює на ньому падіння напруги Uз.з., яке компенсує сигнал термоелектричного термометра:

E(t;t_Q) + U_cd =U₃₃ (2.22а)

Рис.2.11. Нормувальний перетворювач до термоелектричного термометра

Нескомпенсований сигнал підсилюється підсилювачем ЕП, що призводить до зміни вихідного струму Івих, струму зворотного зв'язку Ізз, компенсуючої напруги Uзз і, зрештою, до рівноваги сигналів схеми. Промисловість України випускає перетворювачі типів: Ш78; П282; Ш705 класів точності 0,4; 0,5; 1,0 з навантажувальними вихідними опорами: 10 кОм; 2,5 кОм; 1 кОм; 0,5 кОм.

Мідні та платинові термометри прості за конструкцією, надійні в роботі та доступні для користування. Принцип їх дії грунтується на зміні електричного опору провідників або напівпровідників під впливом температури і описується рівняннями:

для провідників: R_t =R₀(1 + αt), (2.23)

для напівпровідників: R_t=R₀(1 +βt), (2.24)

де α і β - коефіцієнти електричного опору провідників і напівпровідників.

Мідні термометри опору використовуються для вимірювання температури від -200 до +180°С і мають лінійну залежність опору від температури. Вони виготовлені із мідного дроту діаметром 0,1 мм. Номінальний опір термометрів при 0°С становить 10, 50 і 100 Ом відповідно до градуювання 10М, 50М і 100М.

Платиновими термометрами вимірюють температуру від -260 до + 1100°С. Промислові термометри виготовляють із платинового дроту діаметром 0,05-0,1 мм. Номінальний опір термометрів при 0°С становить 1; 5; 10; 50; 100; 500 Ом відповідно до градуювання Ш, 5П, 10П, 50П, 100П, 500П.

Термометри опору працюють у комплекті із зрівноваженим і незрівноваженим мостами та логометрами.

Магнітоелектричний логометр (рис. 2.12) складається із двох рухомих рамок, жорстко скріплених між собою під кутом 20°, стрілки, постійного магнітного поля N-S, сердечника, навколо якого повертаються рамки, та резисторів схеми. Принцип його роботи грунтується на взаємодії двох магнітних полів: постійного N-S і магнітних полів рамок, по яких проходить струм. Відстань між сердечником і башмаками магніта N-S нерівномірна, тому і магнітна індукція неоднакова. Найбільша вона там, де найменший зазор, і зменшується до країв башмака. В результаті взаємодії магнітного поля N-S з магнітними полями рамок виникають пари сил, які діють на рамки

F₁ = I₁·B₁· n·l; F₂ = I₂·B₂·n·l, (2.25)

і відповідно обертаючі моменти рамок:

М₁ = F₁ · d = I₁ · R₁ · n · l · d;

М₂ = F₂ · d = I₂ · R₂ · n · l · d; (2.26)

де І₁ і І₂ - струми рамок; В₁ і В₂ - магнітні індукції у зазорі знаходження рамок; 1 - довжина активної частини витка рамки; n - кількість витків; d - діаметр рамок.

При зміні температури в об'єкті змінюється електричний опір термометра R_t, сила струмів рамок І, і І₂, а рухома система рамок

повертається на певний кут. Рамка п з меншим струмом переміститься в зазор з більшою магнітною індукцією, а рамка п з більшим струмом в зазор з меншою магнітною індукцією, і знову настане рівновага системи і рівність обертаючих моментів. При цьому за шкалою визначають значення температури.

Промисловість випускає логометри таких типів: Л64И; Ш69000; Ш69001; Щ69006 класів точності 1; 1,5; 2.

Рис.2.12. Логометр
Автоматичний міст. В основу роботи автоматичного моста (рис.2.13) покладено компенсаційний метод, згідно з яким зміна опору термометра компенсується автоматично перерозподілом опору реохорда між суміжними плечами моста. Основними вузлами моста є вимірювальна мостова схема, електронний підсилювач ЕП, реверсивний РД та синхронний СД двигуни, механізм запису та термометр опору. Міст складається з чотирьох пліч, які утворюють дві діагоналі: вимірювальну (а-в) і живильну (с-д). В одне із пліч включено термометр опору, а реохорд Rp підключений між двома суміжними плечами моста, який живиться від джерела змінного струму. Автоматичний міст буде у зрівноваженому стані тоді, коли добутки опорів протилежних пліч рівні між собою:

R₁(Rt+R_л1+Rnp') = (R₂+R_л2)(R₂+r n+R), (2.27)

Рис.2.13. Схема автоматичного моста

При зміні температури в об'єкті змінюється ве­личина опору термомет­ра, що веде до порушення рівноваги моста. У ви­мірювальній діагоналі виникає сигнал AU, який подається на ЕП і реверсивний двигун РД. Останній переміщує повзунок реохорда до усунення сигналу небалансу і досягнення рівноваги моста. РД зупиниться, а стрілка при ладу покаже нове значення температури. Промисловість випускає автоматичні мости типів KM 140; КПМ1; КВМ1; КСМ2; КСМЗ; КСМ4; ДИСК-250;РП 160 класів точності 0.25; 0.5; 1.0; 1.5.

Нормувальні перетворювачі для роботи з терморезисторними термометрами призначені для лінійного перетворення пасивного сигналу (опору) терморезисторного термометра Rt в уніфікований сигнал постійного струму 0...5 мА і 4...20 мА. Принцип їх дії грунтується на статичній автокомпенсації. До складу перетворювача (рис. 2.14) входять такі основні вузли: вимірювальний міст ВМ постійного струму з джерелом стабілізованого живлення ДСЖ, електронний підсилювач ЕП, пристрій зворотного зв'язку ПЗЗ та резистори: навантажувальний Rh і зворотного зв'язку R3.3.

Вимірювальний міст ВМ складається з чотирьох манганінових резисторів R,; R₂; R₃; R₄, термометра опору Rt та двох резисторів ліній зв'язку Rn. В діагональ живлення а-в моста включено ДСЖ постійного струму, а вимірювальна діагональ с-д підключена до ЕП. ЕП зібраний за схемою модулятор-демодулятор. Модульований сигнал підсилюється підсилювачем, вихідний струм Івих якого, проходячи через резистор R3.3, подається на ПЗЗ. Струм Із.з., проходячи через резистор R3.3., утворює на ньому падіння напруги Uз.з, якекомпенсує падіння напруги Ucd вимірювальноїдіагоналі моста ВМ:

U_cd = U_з.з (2.27а)

Рис. 2.14. Нормувальний перетворювач до терморезисторних термометрів

Початковому опорові Rt у вимірювальній діагоналі с-д відповідає сигнал Ucd = 0, а, значить, і вихідний струм Івих=0. Із збільшенням температури в об'єкті вимірювання збільшується опір Rt, падіння напруги у діагоналі с-д і пропорційно зростає струм Івих.

Крім наведених нормувальних перетворювачів, останнім часом з'явилось багато нових перетворювачів температури, тиску, перепаду тиску та інших величин з уніфікованими сигналами постійного струму.

Промисловість України випускає нормувальні перетворювачі типів Ш79; П282 і Ш703 класів точності 0,4; 0,5; 1,0 з опорами наванта­ження: 2,5 кОм; 1 кОм; 0,5 кОм.

Дата добавления: 2014-01-07