Методы измерения температуры

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 8Следующая ⇒

Температура является одной из важнейших физических величин, оцениваемых в системах автоматизации водоснабжения и водоотведения. Современные методы и средства измерения температуры основаны на физических свойствах жидкостей, газов. Твердых тел. Проявляемых при изменении температуры. В настоящее время используются электрические и неэлектрические методы измерения температуры.

Технические средства автоматизации ТСА предназначенные для измерения температуры называются термометрами.

Классификация приборов для измерения температуры:

1. Термометры расширения – действие основано на изменении линейных размеров и объема жидких и твердых тел при изменении температуры.

2. Манометрические термометры – действие основано на изменении давления рабочего вещества от температуры при постоянном объеме.

3. Термоэлектрические преобразователи (ТЭП), термопары – действие основано на зависимости термоэлектродвижущей силы (ТЭДС) от температуры.

4. Термометры сопротивления – действие основано на зависимости электрического сопротивления чувствительного элемента от температуры.

5. Пирометры излучения – действие основано на зависимости температуры от яркости излучения.

Термометры расширения

Построены на принципе изменения объема жидкости (жидкостные) или линейных размеров твердых тел (деформационные) при изменении температуры.

Действие жидкостных стеклянных термометров основано на различии коэффициентов теплового расширения термометрического вещества (ртуть, спирт или другие органические жидкости) и оболочки, в которых оно находится (термометрическое стекло или кварц). Такие термометры, как правило, используются в промышленности и в лабораторной практике для местных измерений температуры в пределах от -200°С до 600°С с высокой точностью. Цена деления, например, образцовых стеклянных термометров с узким диапазоном шкалы может составлять 0, 01 °С.

Изготавливаются лабораторные термометры типа ТЛ на пределы измерения от -100°С до 500 °С; термометры промышленные типа ТП на пределы от -30°С до 500 °С; термометры технические типа ТТ на те же пределы и др.

Основные достоинства жидкостных стеклянных термометров – простота и высокая точность измерения; недостатки – невозможность, регистрации и передачи показаний на расстояние, значительная тепловая инерция, невозможность ремонта.

Деформационные делятся на биметаллические и дилатометрические. Их действие основано на термометрическом свойстве теплового расширения различных твердых тел.

Манометрические термометры

Манометрический термометр (рис. 32) состоит из термобаллона 1, капиллярной трубки 2 и манометрической части 3-7. Вся система прибора (термобаллон, капиллярная трубка, манометрическая пружина) заполнена рабочим веществом. Термобаллон, изготавливаемый в виде цилиндра из стали или латуни, помещают в контролируемую среду. При нагревании термобаллона давление рабочего вещества внутри замкнутой системы увеличивается. Увеличение давления воспринимается манометрической трубкой (пружиной), которая воздействует через передаточный механизм на стрелку или перо прибора. Капилляр изготовляют из медной или стальной трубки с внутренним диаметром 0, 15–0, 5 мм. В зависимости от назначения прибора длина капиллярной трубки может быть различной и находится обычно в пределах следующего ряда: 1; 1, 6; 2, 5; 4; 6; 10; 16; 25; 40 и 60 м. Капиллярная трубка может быть одно- и многовитковой. Иногда капилляр может отсутствовать, и термобаллон непосредственно соединяют с манометрической частью. Для защиты от механических повреждений капилляр помещают в защитную оболочку из стального плетеного рукава.

Рис. 32. Манометрический термометр с трубчатой пружиной:

1 – термобаллон; 2 – капиллярная трубка; 3 – манометрическая трубка (пружина); 4 – держатель; 5 – поводок; 6 – зубчатый сектор; 7 – биметаллический компенсатор

Манометрические термометры широко применяют в химических производствах. Они просты по устройству, надежны в работе, при отсутствии электропривода диаграммы – взрыво- и пожаробезопасны. С помощью этих приборов можно измерять температуру в диапазоне от -150 до +600 °С.

Различают следующие типы манометрических термометров:

- газовые, в которых вся система заполнена газом под некоторым начальным давлением;

- жидкостные, в которых система заполнена жидкостью;

- конденсационные, в которых термобаллон частично заполнен низкокипящей жидкостью, а остальное пространство термобаллона заполнено парами этой жидкости.

По устройству манометрические термометры всех типов аналогичны. Они бывают показывающими, регистрирующими и контактными.

Газовые МТ заполняются азотом, гелием применяются для измерения температуры от -60 до +600⁰С.

Достоинства: равномерная шкала; статистические характеристики линейны.

У жидкостных МТ всю систему заполняют жидкостью (метиловый спирт, ксилол, толуол, ртуть и т.д.) под начальным давлением 1, 5-2 МПа. Применяются для измерения температуры от -60 до +300⁰С.

Достоинства: те же, как у газовых МТ.

Недостатки: значительные температурные погрешности.

Манометрические конденсационные термометрыреализуют зависимость упругости насыщенных паров низкокипящей жидкости от температуры. Поскольку эти зависимости для используемых жидкостей (хлористый метил, этиловый эфир, хлористый этил, ацетон и др.) нелинейны, следовательно, и шкалы термометров неравномерны. Эти приборы обладают более высокой чувствительностью, т.к. давление насыщенного пара очень быстро изменяется с температурой. Диапазон измерения температуры от -50 до +300 °С.

Недостатки: погрешности при измерении атмосферного давления.

Термопреобразователи сопротивления (ТС)

Измерение температуры ТС основано на изменении электрического сопротивления проводников или полупроводников с изменением температуры. Зная эту зависимость, можно по значению сопротивления определить температуру среды, в которую помещен ТС. При увеличении температуры сопротивление ряда чистых металлов возрастает, а полупроводников снижается.

Зависимость сопротивления металлов от температуры в небольшом интервале температур можно приближенно выразить уравнением:

,

где – сопротивление металлического проводника при температуре t °C; - сопротивление того же проводника при температуре 0 ⁰C; – температурный коэффициент электрического сопротивления, 1/⁰C.

Зависимость между сопротивлением и температурой для ТС различных типов дается в градуировочных таблицах.

Для изготовления ТС наиболее пригодны по своим физико-химическим свойствам платина и медь. Для платины ; для меди .

Чувствительные элементы ТС представляют собой тонкую медную или платиновую проволоку, намотанную бифилярно на специальный слюдяной, фарфоровый или пластмассовый каркас. Для предохранения от внешних воздействий чувствительные элементы ТС заключают в металлическую трубку с литой головкой, в которой смонтированы выводы концов обмотки для их подключения к соединительным проводам (рис. 33).

Рис. 33. Платиновый (а) и медный (б) ТС:

1 – серебряная лента; 2 – платиновая проволока; 3 –слюдяная пластинка; 4 – подводящие серебряные провода; 5 – фарфоровые бусы; 6 – пластмассовая головка; 7 – тонкостенна защитная трубка; 8 – защитный чехол; 9 – медная проволока; 10 – пластмассовый каркас; 11 – медные подводящие провода

Термопреобразователи сопротивления изготавливают следующих типов: ТС медные (ТСМ) на пределы от –50 до 200 °С; ТС платиновые (ТСП) на пределы от –260 до 750 °С.

Перспективные средства измерения температуры:

1. Термопреобразователи с унифицированным выходным сигналом: ТСМУ Метран-274 на пределы от –50 до 200 °С, ТСПУ Метран-276 на пределы от –200 до 500 °С. У них чувствительный элемент первичного преобразователя и встроенный в головку датчика термический преобразователь преобразуют измеряемую температуру в унифицированный сигнал постоянного тока

2. Термопреобразователи микропроцессорные: ТСМУ Метран-274МП, ТСПУ Метран-276МП.

3. Интеллектуальные преобразователи температуры: Метран-281 и метран-286 – управляемые интеллектуальные преобразователи, работают дистанционно (оператор может произвести настройку, выбор основных параметров, перенастройка и запрос информации о самом преобразователе). На выходе имеют унифицированный сигнал 4 – 20 мА.

Термоэлектрические преобразователи

В основу действия положен термоэлектрический эффект, заключающийся в том, что в замкнутой цепи, состоящей из двух или нескольких разнородный проводников, возникает электрический ток, если хотя бы 2 соединения (спая) проводников имеют разные температуры.

Конструктивно ТЭП представляет собой две проволоки (А и В) из разнородных металлов, нагреваемые концы которых скручиваются, а затем свариваются или спаиваются (рис. 34). Спай, имеющий температуру t, называется рабочим, помещается в контролируемую среду, а с температурой t_o – свободным.

А

В

t_o

t

Рис. 34. Термоэлектрическая цепь из двух разнородных проводников

Суммарную термоэлектродвижущую силу (ТЭДС) замкнутой цепи ТЭП, спаи которой нагреты до температур t и t₀ можно выразить уравнением:

где E_AB(tt₀) – суммарная ТЭДС ТЭП; e_AB(t), e_AB(t₀) – потенциалы, возникающие в спаях.

Поддерживая температуру одного из спаев постоянной, например , получаем .

Для устранения влияния изменения температуры окружающей среды на величину возникающей ТЭДС свободные концы ТЭП термостатируют или применяют специальные компенсирующие устройства. Для измерения ЭДС в цепь термопары включают вторичный прибор (милливольтметр и потенциометр). Его подключают в спай с температурой t_o либо в один из термоэлектродов. ТЭДС термопары не изменяется от введения в ее цепь вторичного прибора, если свободные спаи имеют одинаковую температуру и провода, которыми подключается вторичный прибор, изготовлены их материала, отличного от материалов электродов А и В.

В соответствии с общепринятой международной классификацией термоэлектрические преобразователи (термопары) разделяются на несколько типов в зависимости от применяемых материалов и характеристик. Характеристики некоторых основных типов ТП приведены в табл. 1.

Таблица 1

⇐ Предыдущая 1 234 5 6 7 8 Следующая ⇒