Классификация средств измерения температуры

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ

Основные понятия

Измерение температур имеет важное значение в промышленном производство. Во многих технологических процессах химической и нефтеперерабатывающей промышленности температурный контроль имеет решающее значение.

Температурой называют величину, характеризующую тепловое со- стояние тела. Согласно кинетической теории температурой называют фи- зическую величину, количественно характеризующую меру средней кине- тической энергии теплового движения молекул какого-либо тела или ве- щества.

Из определения температуры следует, что она не может быть изме- рена непосредственно и судить о ней можно по изменению других физиче- ских свойств тел (объема, давления, электрического сопротивления, термо- ЭДС, интенсивности излучения и т.д.).

Средство измерения температуры называют термометром.

Температурные шкалы

С момента изобретения термометра Г.Галилеем в 1595г. предлагалось много различных температурных шкал.

В системе СИ основной единицей является Кельвин. Градус Кельвина определяется как 1/273,16 часть температуры тройной точки воды.

Последняя есть температура равновесного состояния водяного пара, жидкой в оды и льда.

Привычная нам десятичная температурная шкала была предложена А. Цельсием в 1742 году, в которой расстояние по шкале между точкой таяния льда и точкой кипения воды делилось на 100 частей.

Градус Цельсия определяеся по формуле:

Т(°С)=Т(К) - 273,16. (1.1)

В США общепринятой является шкала Фаренгейта. В качестве нижней опорной точки (0°F) изобретатель шкалы использовал температуру замерзания солевого раствора, самую низкую воспроизводимую в то время, а в качестве верхней точки - температуру тела человека. Согласно этой шкалы, разность температур между таянием льда и кипением воды делится на 180 частей, а температуре таяния льда приписана температура 32°F.

Перевод °С в °F легко можно сделать по формуле:

T(°C) = (T(°F) – 32) . (1.2)

В абсолютной термодинамической шкале температура в Кельвинах через температуру в градусах Фаренгейта выразится как:

T(К) = 255,38 + T(°F) . (1.3)

Классификация средств измерения температуры

Все типы термометров принято разбивать на два класса в зависимо- сти от методики измерений. Традиционный и наиболее массовый вид термометров – контактные термометры, отличительной особенно- стью которых является необходимость теплового контакта между датчиком термометра и средой, температура которой измеряется. Вторую группу составляют бесконтактные термометры, для измерения которыми нет необходимости в тепловом контакте среды и прибора, а достаточно изме- рений собственного теплового или оптического излучения.

Контактные термометры:

Термометры расширения

Манометрические термометры

Термоэлектрические

термометры (термопары)

Термометры сопротивления

Бесконтактные термометры:

Пирометры

Радиометры

Тепловизоры

Термометры расширения

Жидкостные термометры

Действие стеклянных жидкостных термометров основано на разли- чии коэффициентов теплового расширения термометрического вещества и оболочки, в которой она находится (термометрического стекла или реже кварца). Стеклянные жидкостные термометры отличаются высокой точ- ностью, простотой устройства и дешевиз- ной, однако они хрупки, непригодны для ремонта, и не могут передавать показания на расстояние (за исключением электро- контактных ртутных термометров).

Рис.1 Стеклянный жидкостный термометр:

1 - резервуар; 2 – капилляр;

3 – термометрическая жид- кость; 4 – шкала.

Основными элементами конструк- ции термометра (рис. 1) является резер- вуар 1 с припаянным к нему капилляром 2, заполненные частично термометриче- ской жидкостью 3, и шкала 4.

В качестве термометрической жид- кости в большинстве случаев использует- ся химически чистая ртуть. Ртуть не сма- чивает стекло, легко получается в чистом виде, находится в жидком состоянии в широком диапазоне температур (от – 38,84 до 356,58 °С).

Еще применяют толуол, этиловый спирт, керосин, петролейный эфир, пентан.

Конструктивно различают палочные термометры и термометры с вложенной шкалой. У палочных термометров шкала наносится на поверх- ность толстостенного капилляра. У термометров с вложенной шкалой ка- пилляр и шкальная пластинка с нанесенной шкалой заключены в защит- ную оболочку, припаянную к резервуару.

Показания стеклянного термометра зависят не только от температу- ры резервуара, но и от температуры столбика жидкости в капилляре, по- этому лабораторные приборы градуируются при полном погружении тер- мометра в измеряемую среду до отсчитываемой температурной отметки.

Выпускаются также ртутные электроконтактные термометры (рис.2), предназначенные для сигнализации или поддержания определенной температу- ры (с заданным постоянным контактом или с подвижным контактом). Ртуть 1,расширяясь, касается поверхностью кон-

тактного проводника 2, положение кото- рого фиксируется специальным устрой- ством 5. Положение проводника можно изменять вращением магнита 4, распо- ложенного снаружи корпуса термометра.

Рис. 2 Электроконтактный

жидкостный термометр:

1 – резервуар со ртутью;

2 – подвижный контакт;

3 – шкала;

4 – вращающаяся головка с

магнитами;

5 - винтовая пара

Биметаллические термометры

Разновидностью дилатометрических термометров являются датчики температуры с биметаллическими пластинами. Используя тот же принцип работы – тепловое расширение тел при нагревании – в биметаллических датчиках измеряется не удлинение, а изгиб пластины, состоящей из двух металлов с разными температур- ными коэффициентами расшире- ния. Схема такого датчика, полу- чившего широкое применение в

различных системах регулирова-

ния температуры, приведена на рис. 4

Рис. 4 Схема измерения биметаллическим термометром

При изменении температуры такой пластины она изгибается в сто- рону материала с меньшим коэффициентом линейного расширения (на ри- сунке – металл 2).

Зависимость перемещения незакрепленного конца биметаллической пластины от температуры справедлива в том интервале температур, в котором оба используемых металла обладают упругой деформацией.

Подбором специальных сплавов удается создать биметаллический термометр с рабочим диапазоном температур от -100 до 600°С.

Дляувеличения длины пластины при сохранении малых габаритов чувствительного элемента его выполняют в виде спирали.

Наибольшее распространение биметаллические термометры полу- чили для работы при комнатной температуре – как для непосредственного ее измерения, так и для автоматического регулирования (в этом случае чувствительный элемент приводит в действие систему управления контак- тами реле).

Основная погрешность биметаллических термометров составляет 1- 3% диапазона измерения, градуировочная характеристика близка к линей- ной. Однако чувствительные элементы термометров не взаимозаменяемы и приборы требуют индивидуальной градуировки. Она может осуществлять- ся в термостатах путем сравнения с показаниями соответствующего образ- цового средства измерений.

Манометрические термометры

Принцип действия манометрических термометров основан на зависимости давления рабочего вещества в замкнутом объеме (термосистеме)

от температуры.

В зависимости от агрегатного состояния рабочего вещества в термо- системе манометрические термометры подразделяют на газовые, жидко- стные и конденсационные.

Манометрические термометры могут быть использованы для изме- рения температур от -150 до 600°С. Диапазон измерения определяется на- полнителем термосистемы.

Термометры со специальными наполнителями(расплавленными металлами) пригодны для измерения температуры от 100 до 1000°С.

Термосистема термометра (рис.5) состоит из термобаллона 1, ка- пиллярной трубки 3 и манометрической части 2. Вся система прибора (термобаллон, капиллярная трубка, манометрическая пружина) заполнена рабочим веществом. Термобаллон погружается в объект измерения. При изменении температуры рабочего вещества в термобаллоне изменяется давление в замкнутой системе, которое через капиллярную трубку переда- ется на манометрическую часть, представляющую собой манометр с труб- чатой пружиной являющийся измерительным прибором манометрического термометра.

Термобаллон представляет собой цилиндр, изготовленный из латуни или специальных сталей, стойких к химическому воздействию измеряемой среды. Диаметр термобаллона находится в пределах от 5 до 30 мм, а его длина 60-500 мм. Капилляр, соединяющий термобаллон с манометрической трубкой, представляет собоймедную или стальную трубку с внутренним диаметром 0,1-0,5 мм. Длинакапилляра может быть до 60 м. Медные капилляры имеют стальную защитную оболочку, предохраняющую их от повреждения при мон таже и эксплуатации.

Рис. 5 Манометрический термометр:

1 – термобаллон; 2 – манометрическая часть;

3 – капиллярная трубка

По устройству манометрические термометры всех типов аналогич- ны. В зависимости от конструкции измерительной системы они бывают показывающими, самопишущими, бесшкальными со встроенными преоб- разователями для дистанционной передачи показаний.

Манометрические термометры – достаточно простые устройства, по- зволяющие осуществлять автоматическую регистрацию измерений и пере- дачу показаний на расстояние. Выпускаются термометры с унифицирован- ным пневматическим и электрическим сигналами. Достоинство этих тер- мометров – возможность их использования на взрывоопасных объектах. К недостаткам относят необходимость частой поверки из-за возможной раз- герметизации прибора и сложность ремонта, а также довольно большие размеры термобаллона.

Принцип действия

Термопара представляет собой цепь, состоящую из двух соединен- ных между собой разнородных проводников А и В (рис.6). Эти провод- ники называются термоэлектродами, места соединения термоэлектродов – спаями. Спай с температурой t, погружаемый в измеряемую среду,

Называется рабочим (измерительным) спаем термопары, второй спай с температурой t0 носит название свободного (соединительного).

t 0

Рис. 6 Схема контура термопары

Возникновение термотоков объясняется следующим: при соедине- нии одинаково нагретых концов двух проводников из разнородных мате- риалов, из которых в первом количество свободных электронов в единице объема больше, чем во втором, последние будут диффундировать из пер- вого проводника во второй в большем числе, чем обратно. Таким образом, первый проводник станет заряжаться положительно, а второй – отрица- тельно. Образующееся при этом в месте соединения проводников электри- ческое поле будет противодействовать этой диффузии, в результате чего наступит состояние подвижного равновесия, при котором между свобод- ными концами указанных проводников появится некоторая разность по- тенциалов (термо-ЭДС). С увеличением температуры проводников значе- ние этой термо-ЭДС также увеличивается. Кроме того, термо-ЭДС возни- кает и между концами однородного проводника, имеющими разные темпе- ратуры. В этом случае до наступления состояния подвижного равновесия положительно заряжается более нагретый конец проводника как обладаю- щий большей концентрацией свободных электронов по сравнению с кон- цом, менее нагретым. Возрастание разности температур между концами проводника приводит к увеличению возникающей в нем термо-ЭДС.

Так два этих фактора – контактная разность потенциалов и диффузия электронов – являются слагаемыми результирующей термо-ЭДС цепи, значение которой зависит от природы термоэлектродов и разности темпе- ратур спаев ТЭП.

Конструктивно термоэлектрический преобразователь представляет собой две проволоки из разнородных материалов, нагреваемые концы ко- торых скручиваются, а затем свариваются или спаиваются. Конструктив- ное оформление термопар разнообразно. На рис 7 представлена конст- рукция термопары, которая чаще всего используется для измерения темпе- ратуры в трубопроводах и других аппаратах, находящихся под давлением.

Для защиты от механических повреждений и воздействия среды, температура которой измеряется, электроды ТЭП, армированные изоляци- ей, помещаются в специальную защитную арматуру. У рабочих преобразо- вателей, применяемых для измерения температуры различных сред, арма- тура состоит их защитного чехла 1, неподвижного или передвижного шту- цера 5 с сальниковым уплотнением (на рисунке не показано) и головки 7, прочно присоединенной к защитному чехлу. В головке, снабженной крышкой 8 и штуцером под кабель 9, помещена розетка 6 из изоляционно- го материала с клеммами для присоединения термоэлектродов 2 и

проводов, соединяющих термопару с измерительным прибором или преобразователем.

Рис. 7 Конструкция термопары:

1 – защитный чехол; 2 – термоэлектроды;

3 – изоляционные бусы; 4 – порошок;

5 – штуцер; 6 – розетка с клеммами;

7 – головка; 8 – крышка; 9 – штуцер под кабель

В качестве изоляции термоэлектродов термометра применяются одно- или двухканальные трубки или бусы 3 из фарфора (при температуре до 1300 °С) и окислов алюминия, магния или бериллия (свыше 1300 °С), надеваемые на термоэлектроды. Свободное пространство между термо- электродами и защитным чехлом заполнено порошком окиси алюминия 4 для улучшения теплопередачи.

Длина монтажной (рабочей) части Lраб, погружаемой в среду, темпе- ратуру которой измеряют, выполняется различной для каждого конкретно- го типа ТЭП.

Рабочий конец термопары можно выполнять путем сварки, пайки или скрутки. Наибольшее распространение получил способ изготовления спая с помощью сварки, а пайку применяют только в специальных случа- ях. Скрутку рабочего конца часто применяют для термоэлектрических термометров вольфрамрениевой и вольфраммолибденовой групп. Сварку электродов ТЭП производят как с предварительной скруткой термоэлек- тродов, так и без скрутки. Еще одним вариантом изготовления спая рабо- чего конца является приварка электродов к дну защитного чехла.

Выпускаются одинарные (с одним чувствительным элементом) и двойные (с двумя чувствительными элементами) термоэлектрические преобразователи различных типов. Двойные термопары применяются для измерения температуры в одном и том же месте одновременно двумя вторичными приборами, установленными в разных пунктах наблюдения. Они

содержат два одинаковых чувствительных элемента, заключенных в общую арматуру. Термоэлектроды их изолированы друг от друга и защитного чехла.

В настоящее время во всѐм мире широкое распространение получили термоэлектрические преобразователи, изготавливаемые из термопарного кабеля (рис. 2.13). Он представляет собой гибкую металлическую трубку с расположенными внутри неѐ одной или двумя парами термоэлектродов, расположенными параллельно друг другу. Пространство вокруг термо- электродов заполнено сильно уплотнѐнной мелкодисперсной минеральной изоляцией.

Рис. 2.13. Термопарный кабель с одной или двумя парами термоэлектродов:

1 - оболочка кабеля; 2 - минеральная изоляция (MgO); 3 – термоэлектроды

В РФ выпускают термопарный кабель с двумя типами термоэлектро- дов: КТМС-ХА и КТМС-ХК (кабель термопарный с минеральной изоляци- ей в стальной оболочке с хромель-алюмелевыми или хромель-копелевыми термоэлектродами) диаметром от 0,9 до 7,2 мм с изоляцией из электротех- нического периклаза. Оболочка кабеля изготовлена из жаростойкой стали или сплава. Термопарный кабель за счѐт высокой плотности заполнения периклазом выдерживает изгиб на 180° вокруг цилиндра диаметром, рав- ным пятикратному диаметру кабеля.

К достоинствам кабельных термопар можно отнести:

более высокие термоэлектрическая стабильность и рабочий ресурс по сравнению с проволочными термопреобразователями (в 2-3 раза);

возможность изгиба, монтажа в труднодоступных местах, в ка- бельных каналах, при этом длина ТП может достигать 60-100 мет- ров. Термопары можно приваривать, припаивать или просто при- жимать к поверхности для измерения еѐ температуры;

малый показатель тепловой инерции, позволяющий применять их для регистрации быстропротекающих процессов;

универсальность применения для различных условий эксплуата-

ции, хорошая технологичность, малая материалоѐмкость;

способность выдерживать большие рабочие давления; возможность изготовления на их основе термопреобразователей в защитных чехлах блочно-модульного исполнения, обеспечиваю- щих дополнительную защиту термоэлектродов от воздействия ра- бочей среды и создающих возможность оперативной замены чув- ствительного элемента.

Шумы и помехи.

Поскольку выходной сигнал термопары очень мал, необходимо при- нимать специальные меры для снижения уровня шумов (и соответственно погрешности измерения). Кратко остановимся на наиболее важных из них.

1) Соединительные проводники для подключения термопар должны быть изготовлены из материалов с коэффициентом Зеебека, максимально близким к материалам термопары.

2) Необходимо стремиться к максимальному сокращению длины со- единительных проводников между термопарой и цифровым измеритель- ным устройством. В случае большого удаления термопары от измеритель- ного устройства следует использовать располагаемые в непосредственной близости от термопар специальные модули нормализации сигналов, пре- вращающие термо-ЭДС в токовый сигнал (например, 4-20 мА) или непо- средственно в цифровой отсчет. Кроме того, эти модули, как правило, обеспечивают гальваническую развязку сигналов и содержат устройства компенсации холодного спая. Дополнительные затраты окупаются надеж- ностью, точностью и стабильностью работы системы.

3) Как можно шире использовать экранирование термопар и соеди- нительных проводников для борьбы с помехами общего вида, особенно ес- ли проводники проходят рядом с источниками наводок и помех, а также при измерениях в электропроводящих средах.

4) Использовать фильтрацию сигналов для снижения уровня высо- кочастотных помех.

5) При многоканальных измерительных системах использовать ме- тод временного отключения не используемых в данный момент групп ка- налов для предотвращения суммирования их шумов с сигналом измеряе- мого канала.

6) Использовать проводники, не отводящие тепло от измеряемой зо- ны.

Принцип действия

Действие термопреобразователей сопротивления (термометров со- противления) основано на свойстве металлов и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление с изменением температуры.

Известно, что подавляющее большинство металлов имеет положи- тельный температурный коэффициент электрического сопротивления. Это связано с тем, что число носителей тока – электронов проводимости – в металлах очень велико и не зависит от температуры. Электрическое сопро- тивление металла увеличивается с повышением температуры в связи с воз- растающим рассеянием электронов на неоднородностях кристаллической решетки, обусловленным увеличением тепловых колебаний ионов около своих положений равновесия. В полупроводниках наблюдается иная кар- тина – число электронов проводимости резко возрастает с увеличением температуры. Поэтому электрическое сопротивление типичных полупро-

водников столь же резко (обычно по экспоненциальному закону) уменьшается при их нагревании. При этом температурный коэффициент электрического сопротивления полупроводников на порядок выше, чем у чисты х металлов.

Термометры сопротивления широко применяются для измерения температуры в интервале от –260 до 850 °С. В отдельных случаях они мо- гут быть использованы для измерения температур до 1000 °С.

К числу достоинств металлических термометров сопротивления сле- дует отнести:

высокую степень точности измерения температуры; возможность выпуска измерительных приборов к ним со стан- дартной градуировкой шкалы практически на любой температур- ный интервал;

возможность централизации контроля температуры путем присое- динения нескольких взаимозаменяемых термометров сопротивле- ния через переключатель к одному измерительному прибору.

К недостаткам термометров сопротивления относится потребность в постоянном источнике тока.

Тепловизоры

Тепловидение – это направление в технических измерениях, изу- чающее физические основы, методы и приборы, обеспечивающие возмож- ность наблюдения слабонагретых объектов. Приборы, работающие в этом направлении называются тепловизорами (термографами). Тепловизоры от- носятся к оптико-электронным приборам пассивного типа, работающие в инфракрасном диапазоне спектра излучения.

Диапазон инфракрасного излучения делится на несколько поддиапа- зонов (табл.2.5).

Таблица 2.5

Длина волн (мкм)	Название поддиапазона
0.76-1.5	Ближнее инфракрасное излучение
1.5-5.5	Коротковолновое инфракрасное излучение
5.6-25	Длинноволновое инфракрасное излучение
25-100	Дальнее инфракрасное излучение

Принцип их действия основан на преобразовании инфракрасного из- лучения в электрический сигнал, который подвергается усилению и авто- матической обработке, а затем преобразуется в видимое изображение теп- лового поля объекта (термограмму) для его визуальной и количественной оценки.

Общий принцип устройства тепловизора представлен на рис.13

3 4

Рис. 13. Структурная схема тепловизора:

1 – линза; 2 – фотоприемник; 3 – электронный усилитель; 4 - микро- процессор; 5 – блок отображения информации

Инфракрасное излучение концентрируется системой специальных линз 1 и попадает на фотоприемник 2, который избирательно чувствителен к определенной длине волны инфракрасного спектра. Попадаемое на него излучение приводит к изменению электрических свойств фотоприемника, регистрируется и усиливается электронным усилителем 3. Полученный сигнал подвергается цифровой обработке в микропроцессорном блоке 4 и это значение передается на блок отображения информации 5, представ- ляющий собой экран жидкокристаллического дисплея. Блок отображения информации имеет цветовую палитру, в которой каждому значению сигна- ла присваивается определенный цвет. После этого на экране монитора по- является точка, цвет которой соответствует численному значению инфра- красного излучения, которое попало на фотоприемник. Сканирующая сис- тема (зеркала или полупроводниковая матрица) проводит последователь- ный обход всех точек в пределах поля видимости прибора, в результате получается видимая картина инфракрасного излучения объекта. Чувстви- тельность детектора к тепловому излучению тем выше, чем ниже его соб- ственная температура, поэтому его помещают в специальное термостати- рующее холодильное устройство. Один из способов охлаждения осущест- вляется посредством элементов Пельтье (полупроводники, дающие пере- пад температур (тепловой насос) при пропускании через них тока).

Таким образом, на экране тепловизора видны значения мощности инфракрасного излучения в каждой точке поля зрения тепловизора, ото- браженные согласно заданной цветовой палитре (черно-белой или цвет- ной).