8. Измерительные устройства нижнего уровня аскуэ
8.1. Измерение температуры
8.1.1. Общие сведения об измерении температуры
Температура является одним из важнейших параметров технологических процессов. Температура – это параметр теплового состояния тела. Значение этого параметра обусловливается средней кинетической энергией поступательного движения молекул данного тела.
Возможность измерять температуру термометром основывается на явлении теплового обмена между телами с различной степенью нагретости и на изменении термометрических (физических) свойств веществ при их нагревании.
Различают контактные и бесконтактные методы измерения температур.
При контактных методах измерения температур датчик температуры находится в непосредственном контакте с телом или средой, температуру которых измеряют.
При бесконтактных методах измерения датчик температуры расположен на определённом расстоянии от тела, и температура тела определяется по соответствующим физическим законам, связывающим интенсивность излучения нагретого тела с его температурой.
Р и с. 8.1. Классификация термометров
Измерение температуры термометром основывается на фиксации изменений некоторых физических свойств его рабочего вещества, которые однозначно зависят от температуры [147]. На рис. 8.1 приведена классификация термометров по принципу действия, назначению и отображению информации.
По принципу действия большинство контактных термометров подразделяются на термометры расширения, манометрические, электрические и электронные.
В системах АСКУЭ достаточно широкое распространение получили первичные преобразователи температуры, которые в отличие от большинства термометров имеют выходной сигнал для дистанционной системы передачи показаний. Классификация систем измерения температуры приведена на рис. 8.2.
Р и с. 8.2. Классификация
систем измерения температуры
Промышленные первичные преобразователи температуры по принципу действия подразделяются на термоэлектрические преобразователи, термопреобразователи сопротивления, электронные и пьезоэлектрические. Принцип действия термоэлектрических преобразователей основан на термоэлектрическом методе.
8.1.2. Термоэлектрические термометры
Термоэлектрический метод измерения температур основан на строгой зависимости термоэлектродвижущей силы термоэлектрического термометра от температуры. Если взять электрическую цепь, составленную из двух различных термоэлектрически однородных проводников, то при нагреве спая в цепи появится электрический ток. Такие токи называют термоэлектрическими. Электродвижущая сила, обусловленная неодинаковыми температурами мест соединения проводников, называется термоэлектродвижущей силой, а создающий её преобразователь – термоэлектрическим термометром. При измерениях температур место соединения проводников (рабочий или горячий спай) помещают в область измеряемой температуры, а разомкнутые концы, называемые свободными или холодными, имеют постоянную заранее известную температуру. Если к ним подсоединить вторичный прибор, то мы сможем измерить термоЭДС, которая однозначно зависит от температуры, а её величина пропорциональна разности температур горячего и холодного спаев.
ЕТ = f(Тг.с. – Тх.с.). (8.1)
На рис. 8.3 приведена схема соединения термоэлектрического термометра с измерительным прибором.
Электроды термоэлектрического термометра 3, образующие рабочий конец 2, изолированы друг от друга фарфоровыми трубками и заключены в защитный чехол 9, установленный в объекте измерения 1. Термоэлектроды соединены с компенсационными проводами 4, к которым с помощью соединительных проводов 5 подключен в точках 7 вторичный прибор 6. Компенсационные провода, выполненные из термоэлектродных материалов, соответствующих материалу термоэлектродов термометра, переносят свободные концы термометра к месту соединения их с соединительными проводами 5. Постоянная температура свободных концов поддерживается термостатирующим устройством 8. По величине термоЭДС, измеренной вторичным прибором, по справочным данным для соответствующего типа термометра по градуировочным характеристикам находят искомую температуру.
Р и с. 8.3. Схема измерения температуры пара в трубопроводе термоэлектрическим термометром с вторичным прибором
Градуировочные характеристики термоэлектрических термометров определены, как правило, для температуры свободных концов 0°С. Если температура концов не равна 0°С, то в показания вторичного прибора следует вводить поправку к значению термоЭДС:
, (8.2)
где
– термоЭДС при температуре рабочего
конца
и температуре свободных концов 0°С
(градуировочное значение);
– термоЭДС
при температуре рабочего конца
и температуре свободных концов
;
– поправка
к значению термоЭДС термометра для
приведения его показаний к градуировочным
значениям, численно равная термоЭДС,
которую развивает термометр, имеющий
температуру рабочего конца
и свободного – 0°С.
Поверка термопар осуществляться двумя способами:
методом сравнения показаний поверяемой термопары с показаниями образцового прибора;
по постоянным точкам используемой температурной шкалы, температура которых определяется фазовыми переходами различных химически чистых веществ и имеет определенные числовые значения.
Технические термопары, которые используются при производственных и лабораторных измерениях, поверяются методом сравнения. В качестве эталона используются образцовые термопары 2-го разряда.
Поверка термопар стандартных градуировок заключается в определении термоэлектродвижущей силы поверяемой термопары при некоторых выбранных температурах и сравнении их со значениями термоЭДС, приведенными в градуировочных таблицах для стандартных термопар (ГОСТ 3044-77, 3044-84) при тех же температурах. При поверке термопар методом сравнения действительное значение температуры принимается по показаниям термоЭДС образцовой платинородий-платиновой термопары (типа ТПП), соединенной с лабораторным потенциометром или иным высокоточным измерительным прибором.
В качестве материала термоэлектродов термоэлектрических термометров используются чистые металлы и сплавы, которые обладают постоянством термоэлектрических свойств во времени, химически инертны, имеют высокую электропроводность, небольшой температурный коэффициент электрического сопротивления, однозначную и, по возможности, близкую к линейной зависимость термоЭДС от температуры, хорошую технологическую взаимозаменяемость и воспроизводимость.
Температурный коэффициент электрического сопротивления – это относительное изменение сопротивления проводника при изменении температуры в один градус.
В качестве материалов для изготовления термоэлектродов наибольшее распространение получили чистые металлы – медь, платина, железо и сплавы – платинородий (с содержанием родия в сплаве 10 или 13%), константан (40% никеля и 60% меди), хромель (90% никеля и 10% хрома), копель (56% меди и 44% никеля), алюмель (95% никеля и 5% алюминия, кремния, марганца) и некоторые другие многокомпонентные сплавы. Эти металлы и сплавы в комбинациях друг с другом используются для изготовления термопар следующих типов (табл. 8.1): ТПП 10/13 (платинородий – платина), ТПР (платинородий с 30% родия – платинородий с 6% родия), ТЖК (железо – константан), ТМКн (медь – константан), ТНН (нихросил – нисил), ТХА (хромель – алюмель), ТХК (хромель – копель), ТХКн (хромель – константан), ТМК (медь – копель), ТСС (сильх – силин), ТВР (вольфрамрений с 5% рения – вольфрамрений с 20% рения).
На рис. 8.4 приведены номинальные статические характеристики термоэлектрических термометров, получивших наибольшее распространение при теплотехнических измерениях.
Угол наклон характеристик к оси абсциссы характеризует чувствительность той или иной термопары к малым изменениям температуры.
Наибольшей чувствительностью обладает хромель-копелевый термометр в диапазоне температур {0÷600}°С, обеспечивая высокие значения термоЭДС.
Рассмотренные выше графики нелинейны (хотя достаточно близки к линейным) и в аналитической форме описываются полиномами 10-й степени.
Характеристики термопреобразователей, содержащих в качестве чувствительных элементов рассмотренные типы термоэлектрических термометров, приведены в ГОСТ 6616-94, ГОСТ 3044-94 и показаны в табл. 8.1. Каждому типу термометра присвоено международное литерное обозначение.
Термоэлектрические преобразователи различают по характеристикам, измерительным диапазонам и классам допуска (три класса с нормируемыми погрешностями измерения температуры в зависимости от их диапазона).
Также ГОСТ 6616-94 устанавливает ряд дополнительных требований к термоэлектрическим термометрам: диаметр термоэлектродов (0,07÷0,5 мм – для электродов из благородных металлов и 0,1÷3,2 – для электродов из неблагородных металлов), значение электрического сопротивления изоляции между чувствительным элементом и защитной арматурой, а также требования к конструкции и т.д.
Р и с. 8.4. Градуировочные характеристики некоторых стандартных термоэлектрических термометров
Некоторые требования к параметрам, например таким, как показатель тепловой инерции, номинальное значение температуры применения, параметры измеряемой среды и др., устанавливаются в технических условиях для конкретного типа термометра.
В зависимости от назначения термоэлектрические термометры делятся на погружные, предназначенные для измерения температуры жидких и газообразных сред, и поверхностные, предназначенные для измерения температуры поверхности твердого тела.
По быстродействию различают: термопары малоинерционные, инерционность которых не превышает 5 °C для погружных и 10 °C для поверхностных; средней инерционности – соответственно не более 60 и 120 °C; большой инерционности – 180 и 300 °C.
Термопары помещают в защитный чехол из металла или керамики (рис. 8.5).
Р и с. 8.5. Конструкция термопары
Рабочий конец термопары расположен в закрытой части чехла. Свободные концы термоэлектродов соединены с зажимами, укрепленными в головке. К достоинствам термоэлектрических термометров необходимо отнести возможность измерений в большом диапазоне температур, простоту устройства, надежность в эксплуатации. Недостатками являются низкая чувствительность, инерционность, необходимость поддержания постоянной температуры свободных спаев.
Термоэлектрические термометры конструктивно разделяют на две группы: неизолированные, содержащие в качестве ЧЭ открытый горячий спай (используются в лабораторных измерениях температур неагрессивных газовых и твердых сред), и изолированные, или армированные, содержащие термометр в защитной арматуре – чехле.
В табл. 8.1 приведены характеристики наиболее распространенных в энергетике термоэлектрических термометров.
Таблица 8.1
Тип ТП* |
НСХ |
Диапазон измерения температур, °С |
Класс. Предел допустимого отклонения от НСХ, °С |
||
1 |
2 |
3 |
|||
ТПП 13/10 |
RS |
{0÷+1300} (1600)** |
±1 от 0 до +1100°С; |
±1,5 от 0 до+600°С; |
|
±{1+0,003(t -1100)} от 1100°С |
±0,0025|t| от 600 до 1600°С |
||||
ТПР |
В |
{600÷ +1700} |
|
±0,0025|t| от 600 до 1700 °С |
±4 от 600 до +800°С |
±0,005|t| от 800 до 1700 °С |
|||||
ТЖК |
J |
{-200÷ +750} (900) |
±1,5 от -40 до +375 °С |
±2,5 от-40 до+333 °С |
|
±0,004|t| от 375 до 750 °С |
±0,0075|t| от 333 до 750 °С |
||||
ТМКн |
Т |
{ -200÷ +350} (400) |
±0,5 от-40 до+125 °С |
±1 от-40 до+133 °С |
±0,015|t| от-200 до-67 °С |
±0,004|t| от 125 до 350 °С |
±0,0075|t| от 133 до 350 "С |
±1 от-67 до 40 °С |
|||
ТНН |
N |
{-270÷ +1200} (1300) |
±1,5 от-40 до+375°С |
±2,5 от -40 до +333 °С |
±0,015|t| от-200 до-167 °С |
±0,004|t| от 375 до 1000 °С |
±0,0075|t| от 375 до 1200 °С |
±2,5 от-167 до 40 °С |
|||
ТХА |
К |
{-200÷ +1200} (1300) |
±1,5 от-40 до+375 °С |
±2,5 от-40 до+333 °С |
±0,015|t| от-200 до-167 °С |
±0,004|t| от 375 до 1000 °С |
±0,0075|t| от 333 до 1200 °С |
±2,5 от-167 до+40 °С |
|||
ТХКн
|
Е
|
{-200÷ +700} (900) |
±1,5 от-40 до+375 °С |
±2,5 от-40 до+333 °С |
±0,015|t| от-200 до-167 °С |
Окончание табл. 8.1
Тип ТП* |
НСХ |
Диапазон измерения температур, °С |
Класс. Предел допустимого отклонения от НСХ, °С |
||
1 |
2 |
3 |
|||
|
|
|
±0,004|t| от 375 до 800 °С |
±0,0075|t от 333 до 900 "С |
±2,5 от-167 до + 40 °С |
ТХК |
L |
{-200÷+600} (800) |
|
±2,5 от-40 до+300 °С |
±0,015|t| от-200до-100°С |
±0,0075|t| от 300 до 800 "С |
±2,5 от-100 до + 100 °С |
||||
ТМК |
М |
{-200 ÷+100} |
±(1,3+0,001|t|) от-200 до 0°С |
|
|
±1 от -0до + 100 °С |
|
|
|||
ТСС
|
I
|
{0 ÷ +800} |
±1,5 от 0 до +375 °С |
±2,5 от 0 до +333 °С |
±2,5 от 0 до +40 °С |
|
|
|
±0,004|t| от 375 до 800 °С |
±0,0075|t| от 333 до 800 °С |
|
ТВР
|
А |
{0÷ 2200} (2500) |
|
±0,005|t| от 1000 до+2500 °С |
±0,007|t| от 1000 до+2500 °С |
* Положительный термоэлектрод указан первым.
** В круглых скобках указана предельная температура при кратковременном применении ТП.
При технических измерениях температур температура свободных концов термометра поддерживается постоянной и равной температуре окружающей среды. У стандартных термоэлектрических термометров свободные концы располагаются в головке термометра (рис. 8.5). При измерении высоких температур (например, температуры перегретого пара) на температуру свободных концов термометра будет оказывать влияние температура окружающей среды головки термометра, которая будет непостоянна, что создает возможность появления дополнительной погрешности измерения. Поэтому на практике для подсоединения термометра к вторичному прибору используются компенсационные провода, которые имеют термоэлектрические характеристики, аналогичные материалам электродов термометра. Компенсационные провода удлиняют свободные концы термометра и относят их в зону, где температура окружающей среды постоянна.
Поправка на температуру свободных концов термометра, отличную от 0 °С, может вводиться одним из приведённых ниже способов:
применением термостатов с постоянной температурой, на которую вводится поправка; в случае "ледяной ванны" поправку вводить вообще не надо, но в промышленных условиях этот способ фактически нереализуем;
измерением температуры окружающей среды, например, с помощью электрического термометра сопротивления, и введением численной поправки в полученный от термопары результат; применяется в цифровых измерительных системах, в частности в некоторых УСО;
включением во входную измерительную цепь вторичного прибора, реализующего компенсационный метод измерения, – автоматического потенциометра, в месте подключения соединительных проводов терморезистора, сопротивление которого зависит от температуры окружающей среды;
автоматическим добавлением компенсирующей ЭДС, зависящей от температуры.
Проблема удаленного подключения измерительного прибора и компенсации температуры свободного конца термометра решается принципиально при использовании термоэлектрического термометра с встроенным в его головку преобразователем термоЭДС в унифицированный сигнал (используется метод с терморезистором). Такие термоэлектрические преобразователи, аналогично электрическим термометрам сопротивления, имеют в своем обозначении букву У (например, ТХАУ).
При автоматизированном измерении температур энергоносителей можно использовать недорогие преобразователи типов ТХАУ, ТХКУ с унифицированным токовым выходом. Изготовителями термоэлектрических термометров являются те же предприятия, которые производят электрические термометры сопротивления.