Б 2.2 Методы и средства для измерения температуры
Б 2.2.1 Общие сведения об измерении температуры
В соответствии с Международной практической температурной шкалой 1968 года (МПТШ-68) основной температурной шкалой является термодинамическая температура, единица которой Кельвин (°К). Но на практике часто применяется температура Цельсия, единица которой – градус Цельсия (°С), равный кельвину. Между температурой Цельсия (°С) и термодинамической температурой существуют следующие соотношения:
t, °C = T ,° K – 273 , 15 (2)
В ряде зарубежных стран до сих пор применяются температурные шкалы Фаренгейта (°F), Ренкина (°R`) и иногда Реомюра (°R).
Температуры, определяемые по этим шкалам, приведенные в соответствии с МПТШ-68, а между значениями имеют следующие соотношения:
°С = ° К – 273,15; °К = °С + 273,15; (3)
°С = 0,56 °R` – 273,15
°К = 0,56 R °C = 1 , 25 °R;
Рекомендуемые материалы
°К = 1,25 °R + 273 , 15
Для измерения температуры применяют два метода:
контактный и бесконтактный.
Для реализации контактных методов измерения применяются: термометры расширения:
стеклянные жидкостные, манометрические, биметаллические и дилатометрические;
проводниковые и полупроводниковые;
К бесконтактным методам измерения температуры относятся пирометры (квазимонохроматические, спектрального отношения и полного излучения) – рис. 2.
1 – корпус; 2 – линза объектива; 3-3 ослабляющий светофильтр; 4 – циферблат показывающего прибора; 5 – фотометрическая лампа; 6 – реостат; 7 – концевые контакты реостата; 8 – рамка подвижной системы показывающего прибора; 9 – линза окуляра; 10 – монохроматический (красный) светофильтр; 11 – постоянный магнит показывающего прибора; 12 – стрелка показывающего прибора; 13 – батарея аккумуляторов; 14 – рукоятка прибора.
Рис. 2. Принципиальные оптическая и электрическая схемы пирометра.
Контактные методы измерения более просты и точны, чем бесконтактные. Но для измерения температуры необходимо непосредственный контакт с измеряемой средой и телом. В результате чего может возникнуть, с одной стороны, искажение температуры среды в месте измерения и, с другой стороны, несоответствие температуры чувствительного элемента и измеряемой среды.
Это несоответствие температур или погрешность восприятия чувствительным элементом термометра измеряемого параметра в стационарном режиме имеет место, если происходит теплообмен между термоприемником и измеряемой средой или частями технологического оборудования.
При отводе (или подводе) теплоты от термоприемника за счет теплопроводности и излучения разницу температур термоприемника и измеряемой среды погрешность измерения приближенно можно описать формулой:
где: tт, tc, tcт, Тт, Тст – температура термометра, измеряемой среды, стенки или части технологического оборудования, °С; абсолютные температуры термометра и стенки К;
L, P, S – длина, периметр и сечение термометра (термоприемника), мм2;
ak – коэффициент конвективной теплоотдачи от измеряемой среды к термометру (термоприемнику),Вт(мК) ;
l – теплопроводность материала термометра (теплоприемника), Вт(мК);
Со = 8х108, Со = 5,67 Вт (м2/К4);
d – постоянная Стефана – Больцмана;
eпр – приведенный коэффициент излучения системы термометр – стенка, при Fт << Fcт eпр ~ er ;
Fт и Fст – поверхности термометра и стенки;
eт – коэффициент излучения термометра.
Бесконтактные методы измерения не оказывают никакого влияния на температуру среды или тело. Но зато они сложнее и их методические погрешности существенно больше, у контактных методов.
Для оценки погрешности бесконтактных методов измерения, как правило, необходимо знать спектральные характеристики коэффициентов поглощения (излучения) чувствительных элементов присмотров, промежуточных линз, стекол, других материалов или сред, через которые проходит излучение от измеряемой среды к чувствительному элементу.
Серийно выпускаемые термометры – термопреобразователи охватывают диапазон температур от минус 260оС до 2200оС и кратковременно даже до 2500оС.
Бесконтактные средства измерения температуры серийно выпускаются на диапазон температур от плюс 20оС до 4000 оС.
А сейчас перейдем к более конкретным, к более знакомым по работе – средствам теплотехнического контроля, в частности, к средствам и приборам измерения температуры, которые применяются на ОП ЗАЭС.
Б 2.2.2 Термометры сопротивления
Назначение, устройство и принцип работы
Прежде чем начать эту тему, вкратце мы вспомним о таких термометрах, как их называем в быту – “градусником”, а на производстве – “техническими ртутниками”. Стеклянные термометры (рис. 4) работают на принципе зависимости объемного расширения жидкости от температуры. Они отличаются высокой точностью, простотой устройства и дешевизной. Однако стеклянные термометры хрупки, как правило, не ремонтопригодные и не могут передавать показания на расстояния.
Основными элементами конструкции являются резервуар с припаянным к нему капилляром, заполненным частично термометрической жидкостью. Этой жидкостью могут быть спирт или ртуть, в зависимости от величины измеряемой температуры.
Стеклянные термометры расширения выпускаются для измерения температур от минус 100оС до 600°С.
Для защиты от механических повреждений их помещают в защитную арматуру “чехол” таким образом, чтобы шкала термометра была хорошо видна в разрезе арматуры. Для удобства наблюдения технические термометры и защитная арматура к ним выпускаются – прямые и угловые.
Выпускаются также ртутные электроконтактные термометры, предназначенные для сигнализации или поддержания заданной температуры. Термометры выпускаются с заданным постоянным контактом (ТЗК) или подвижным контактом (ТПК).
Кроме электроконтактных термометров выпускаются бесшкальные термоконтакторы, которые настроены на определенные температуры замыкания электрических контактов.
Манометрические термометры (рис. 3) работают на принципе изменения давления (объема) рабочего тела в замкнутом объеме в зависимости от температуры чувствительного элемента.
Основными частями манометрического термометра являются – термобаллон (чувствительный элемент), капилляр и деформационный манометрический преобразователь (трубка Бурдона) со стрелкой прибора.
По принципу действия различаются – газовые, жидкостные и конденсационные манометрические термометры.
Газовые и жидкостные имеют линейную шкалу. У кондесационных шкала – не линейная.
1 – термобаллон; 2 – соединительный капилляр; 3 – манометрическая пружина; 4 – держатель; 5 – трибка; 6 – сектор; 7 – стрелка; 8 – циферблат; 9 – тяга; 10 – биметаллическая скоба (для ТГП-3Сг); 11 – ведущий поводок; 12, 13 – датчики; 14 – блок БС; 15 – шторка
Рис. 3. Схема принципиальная термометров ТГП-3Сг, ТКП-3Сг.
Рис. 4. Термометры технические ртутные типа ТТ и оправы защитные для стеклянных ртутных термометров
Различие в положении термобаллона и измерительного прибора относительно уровня вызывает так называемую гидростатическую погрешность. Она имеет место у жидкостных и кондесационных монометрических термометров.
Изменение барометрического давления практически не влияет на показания. Возможно небольшое влияние на начальном участке шкалы у кондесационных термометров.
Манометрические термометры выпускаются на температуры минус 200оС до 600°С.
Главным достоинством манометрических термометров является возможность их применение в пожаро- и взрывоопасных условиях любых категорий. Большинство манометрических термометров обладают хорошей вибростойкостью. К числу недостатков следует отнести невысокую точность (класс большинства приборов 1,5; 2,5;) и большие размеры чувствительных элементов: длина – от 80 мм до 630 мм; диаметр – 16 мм и 20 мм.
О классе точности, мы поговорим на второй части наших занятий, где вы узнаете, для чего он нужен, как обозначается на приборах и примеры расчета допустимой погрешности.
А сейчас приступим к изучению термопреобразователей сопротивлений “термометры сопротивления”( ТС).
Если согласно проектных данных на реакторе и вспомогательных системах первого контура предусмотрено около 800 контрольных точек измерения температуры( из них- 352 на самом реакторе и 413 на вспомогательных системах), то
это составляет 90% всех замеров с помощью ТС.
Принцип действия основан на свойстве проводника( или полупроводника) изменять свое сопротивление с температурой.Т. е., при изменении температуры, будет меняться сопротивление металла, а в данном случае проводника в виде намотанной спиралью тонкой медной или платиновой проволоки на каркас (рис. 5).
Основными частями ТС являются:
головка преобразователя с зажимами для подключения чувствительного элемента и соединительных проводов.
Чувствительные элементы медных ТС представляют собой медную проволоку, покрытую эмалевой изоляцией, которая биополярно намотана на каркас ( либо без каркаса), помещенную в тонкостенную оболочку. Чувствительный элемент помещается в защитную арматуру.
Платиновая проволока ТС не может быть покрыта слоем изоляции. Поэтому платиновые ТС спиралью располагают в тонких керамических каналах, заполненных керамическим порошком. Этот порошок выполняет функции изолятора, осуществляет фиксацию положения спирали в каналах и препятствует межвитковому замыканию. Такая конструкция чувствительного элемента позволяет обеспечить высокую механическую прочность, вибростойкость и малую инерционность.
1 – чувствительный элемент; 2 – корпус; 3 – бусы; 4 – уплотнение; 5 – клеммы; 6 – штуцер
Рис. 5. Термометр сопротивления.
ТС выпускаются для измерения температур в диапазоне от минус 260оС до 1100°С следующих исполнений:
– погружаемые и непогружаемые;
– стационарные и переносные;
– негерметичные и герметичные;
– обыкновенные, пылезащитные, водогерметичные, взрывобезопасные, защищенные от агрессивных сред и других внешних воздействий;
– малоинерционные, средней и большой инерционности;
– обыкновенные и виброустойчивые;
– одинарные и двойные;
– 1-2 классов точности;
– с двумя или четырьмя выводами.
В соответствии с существующими стандартами, выпускаются ТС следующих номинальных статических характеристик преобразования: – платиновые – 1П; 5П; 10П; 50П; 100П; 500П; – медные – 10М; 50М; 100М;
Число в условном обозначении характеристики показывает сопротивление ТС при 0°С ( в Ом ).
Номинальное значение отношения W100 = R100/R0 для платины 1,3910, для меди 1,4280. Допускается изготовлять по заказам внешнеторговых организаций и отдельных потребителей термопреобразователи сопротивления с 100=1,3850 и W100=1,4260.
К числу достоинств следует отнести высокую точность (меньшую, чем у стеклянных термометров, но большую, чем у термоэлектрических преобразователей и у всех остальных контактных термообразователей и термометров) и стабильность характеристики преобразователя, возможность измерять криогенные температуры ( от минус 260°С ).
К недостаткам следует отнести большие размеры чувствительного элемента, не позволяющего измерять температуру в точке объекта или измеряемой среды (диаметр чехла или чувствительного элемента -от 6 мм до 20 мм., длина от 50 мм до 180мм.).
2.2.3 Термоэлектрические преобразователи (термопары)
Термоэлектрические преобразователи (в дальнейшем мы будем их называть термопарами) работают на принципе зависимости ЭДС от значений температур мест соединений двух разнородных проводников (рис. 6).
Термопары имеют очень широкий диапазон измерения от минус 200оС до 2200°С (кратковременно до 2500°С). Могут измерять температуру в точке объекта или измеряемой Среды, имеют малые габаритные размеры – 0,5мм (большие диаметры чехлов определяются требованиями механической и термической прочности).
Рис. 6. Термоэлектрическая цепь и схема включения компенсационных проводов.
Термопары отличаются достаточно высокой точностью и стабильностью характеристик преобразования, хотя они и уступают немного по этим показателям ТС. К числу недостатков следует отнести необходимость применения специальных термоэлектродных проводов для подключения преобразователей к прибору и необходимость стабилизации или автоматического введения поправки на температуру свободных концов (температуру окружающего воздуха).
Конструктивное выполнение термопар определяется условиями их применения. Термоэлектроды, как правило, соединяют сваркой или пайкой серебряным или оловянным припоями. Это соединение образуют рабочий спай термопреобразователя. По всей остальной длине термоэлектроды изолированы друг от друга. При высоких температурах (до 100÷150°С) возможно применение любой изоляции (эмаль, лак и т.д.). При более высоких температурах применяют трубки (соломка) или бусы из фарфора.
При температурах более 1300°С применяют трубки и бусы из окиси алюминия, окиси магния, окиси берилия, двуокиси тория и двуокиси циркония. В большинстве случаев изолированные термоэлектроды помещают в защитные чехлы с головкой. Такой чехол предохраняет термоэлектроды от вредного воздействия измеряемой среды, а головка упрощает соединение термоэлектродов с удлиняющими или соединительными проводами.
Термопары выпускаются в следующих исполнениях:
– погружаемые и поверхностные;
– стационарные и переносные;
– разового и многократного применения, обыкновенные, водозащищенные, взрывобезопасные;
– защищенные от агрессивных сред;
– не герметичные, герметичные;
– малой (МИ),средней (СИ) и большой (БИ) инерционности;
– обыкновенные и виброустойчивые;
-одинарные, двойные и тройные – три чувствительных элемента (спая) в одном корпусе (чехле);
– однозонные и многозонные;
– с открытым спаем, с закрытым (изолированным или неизолированным) спаем.
Возможно различное сочетание этих исполнений.
Если для ТС какие-либо вспомогательные материалы и устройства отсутствуют (кроме гильз, чехлов и удлинительных проводов и кабелей), то для термопар дополнительно предусмотрены устройства. Это коробки холодных спаев устройства компенсации свободных концов УКМ (рис. 7,8).
Коробки холодных спаев предназначены для автоматического введения поправки на изменение ЭДС вследствие изменения температуры окружающего воздуха.
Рис. 7. Принципиальная схема устройства компенсации температуры свободных концов термопары УКМ-6.
Рис. 8. Принципиальная схема автоматического введения поправки на температуру свободных концов термопары.
Они могут работать с одним или двумя термопарами градуировок ХК, ХА и ПП. Коробка КХС применяется в системах автоматического регулирования температуры.
Значение медного компенсирующего сопротивления, приведенного к 20°С, составляет:
для градуировки ХК- (11,5± 0,05) Ом;
для градуировки ХА- (5,1± 0,05) Ом;
для градуировки ПП- (1,70± 0,05) Ом.
Рассчитана для работы при температурах от 5оС до 50°С и влажность от 30% до 80%.
Соединительные коробки предназначены для подключения свободных концов термопар, выравнивания их температуры и выдача информации о температуре внутри коробки. Соединительная коробка КС-545 предназначена для подключения восьми термопар в системах внутриреакторного контроля ВВЭР-1000. Обладают следующими достоинствами:
вибро- и трясоустойчивая;
тепло- и холодоустойчивая;
работает при температуре окружающей среды от минус 40оС до плюс 60°С.
Соединительная коробка КС-513М предназначена для подключения 18 термопар ТХА-2076 или ТХК-2076 в системах контроля температуры на АЭС при температуре окружающей Среды от 40 до 60°С. Достоинства:
Переключатели точек (ПМТ,ПТИ-М) предназначены для поочередного подключения, как термометров сопротивления, так и термопар к измерительному прибору. Переключение, переключателем ПМТ, осуществляется путем перемещения П-образных подвижных щеток по неподвижным контактам. Неподвижные контакты расположены по четырем концентрическим окружностям.
Переключатель ПТИ-М переключает цепи постоянного тока при напряжении 24В и силе тока до 0,1А.К переключателю можно подключить до 20 первичных преобразователей. Температура окружающего воздуха от минус 40оС до 40оС или от минус 10оС до 45°С, относительная влажность – до 98%.
Аппаратура встроенной защиты (АТВ-229) предназначена для сигнализации о превышении температуры в любой из 10 контролируемых точек, а также для отключения контролируемой установки в случае необходимости, Диапазон контролируемых температур от 24оС до 131°С. Питание от сети ~220 В или 380 В. Потребляемая мощность 60 Вт. Длина встроенной части 5, 50, 85, 100, 150, 200, 250, 1035 мм. Применяется для защиты от перегрева обмоток электромашин, подшипников и других частей установок и механизмов.
Мы узнали о первичных датчиках и приборах измерения температуры. Хорошо было бы, если бы датчики, о которых шла речь выше, могли бы одновременно выполнять функции и вторичных приборов. Такими достоинствами обладают только термометры жидкостные (спиртовые), ртутные, манометрические термометры. Они являются приборами без передачи показаний на расстояния. Для передачи показаний на расстояния необходимы дополнительные устройства для преобразования из одного вида энергии в другой. Такие функции в настоящее время выполняют так называемые измерительные преобразователи (ИП). Для каждого типа датчика – соответствующий тип измерительного преобразователя. В частности, для термометров сопротивлений следующий тип ИП: Ш-79, Ш- 703; для термопар- это ИП: Ш-78, Ш- 705.
В комплекте с ТС, термопарами и с ИП работают вторичные приборы:
– мосты (КСМ1,КСМ2) для измерения активного сопротивления;
– потенциометры(КСП1, КСП2) для измерения напряжения постоянного тока и термо-ЭДС;
– потенциометры (КСУ1, КСУ2) для измерения силы и напряжения постоянного тока;
– миллиамперметры (М-316, КСМ1, КСМ2).
Вышеперечисленные приборы (кроме М-316) могут работать непосредственно с первичными ТС и термопарами и без НП в зависимости технических и технологических условий эксплуатации оборудования (не исключая и экономических возможностей заказчика).
Если движущей силой в обеспечении жизненной деятельности человеческого организма является сердце, то почти во всех средствах измерениях (ИП, вторичные приборы, преобразователи давления с унифицированными выходными токовыми сигналами) функции их живучести выполняют мостовые измерительные схемы.
2.2.4 Мостовые измерительные схемы (рис. 9) бывают двух видов:
неуравновешенная мостовая (неравновесная) схема;
уравновешенная мостовая (равновесная) схема.
Неуравновешенные мосты для измерения температуры с термометрами сопротивления применяются редко. Однако они нашли широкое применение для измерения сопротивления в газоанализаторах, концентратомерах и в ряде других средств измерения. В неуравновешенных мостах в процессе эксплуатации нет необходимости производить какие-либо изменения сопротивлений или переключения. Показания измерительного прибора рассчитаны или отградуированы сразу в значениях измеряемого сопротивления или параметра, влияющего на сопротивление. Условие неуравновешенного моста следующее:
I = f(U, R1, R2, R3, R4, Rr) (5)
В этом случае, если нужна однозначная зависимость измерительного тока (I) от сопротивления какого-нибудь резистора, например R3, необходимо, чтобы все остальные элементы схемы имели постоянные значения U1, R2, R3, R4, Rr-const.
Рис. 9. Принципиальные схемы соединения логометра ЛПр-53.
Как видно из схемы “а” рис. 10, зависимость измерительного тока от измеряемого сопротивления “Rx” будет однозначной только тогда, когда все остальные элементы схемы не изменяют своих значений, причем вид этой зависимости нелинейный. Например, для случая, когда измеряемое сопротивление Rx=R2, а все остальные плечи моста равны; R2=R3=R4=R уравнение шкалы будет иметь вид:
I=U (6)
Rx (2Rr+3R)+R (2Rr+R)
При измерении очень малых сопротивлений или малых изменений сопротивлений возникает необходимость увеличить коэффициент преобразования схемы моста. Для этого два аналогичных преобразователя сопротивления, находящихся в одинаковых условиях, включают в противоположные плечи моста (схема “в” рис. 10). Уравнение шкалы в этом случае будет иметь вид:
I2=U » (7)
т.е. при использовании двух аналогичных преобразователей сопротивления, коэффициент преобразования измерительной схемы увеличивается примерно в два раза.
Во многих случаях возникает необходимость получать сигнал, определяемый разностью сопротивлений двух преобразователей. Для этого преобразователи включаются в прилежащии плечи неуравновешенного моста (схема “в” рис. 9); уравнение шкалы имеет вид:
I =U» k(Rx1-Rx2) »
Cила тока ”I” практически пропорциональна разности сопротивлений преобразователей Rx1-Rx2. Схемы неуравновешенных мостов с двумя измеряемыми сопротивлениями (схемы “б” и “в” рис. 10) находят широкое применение в измерительных схемах газоанализаторов, концентратомеров, влагомеров и других приборов.
В схемах неуравновешенных мостов в случае необходимости может быть применена трехпроводная схема подключения измеряемого сопротивления, которая позволяет уменьшить или исключить влияние изменения соединительных проводов на показания моста.
Рис. 10. Принципиальные схемы измерительных мостов.
К преимуществам неуравновешенных мостов следует отнести простоту схемы, не требующую устройств уравновешивания, возможность применения для измерения малых сопротивлений (за счет уменьшения или даже исключения сопротивления удлиняющих проводников, соединяющие плечи моста).
К недостаткам неуравновешенных мостов относятся зависимость показаний от изменения напряжения питания; нелинейность шкалы моста.
Для использования одновременно положительных качеств как уравновешенных, так и неуравновешенных мостов, разработана двухмостовая компенсационная измерительная схема, которую иногда называют схемой компоратора напряжений (схема “г” рис.10). Схема состоит из измерительного “1” и сравнительного “2” мостов, питаемых параллельно от одного источника питания. В измерительном мосте одно или два сопротивления представляют собой измерительные преобразователи, так, что при изменении их сопротивления относительно начального, возникает разность потенциалов, определяемая выражением для R1=Rx
Uab=U (9)
или для двух преобразователей сопротивления, когда R1=Rx и R3=Rx, а R2=R4=Rxмин,
Uab=U (10)
В сравнительном мосте сопротивления R5-R8 подобраны таким образом, что R6=R8=Rxмин, а R5=R7=Rxmax. Разность потенциалов Ucd в этом случае будет равна Uabмакс. – той разности потенциалов, которая будет между точками а и b когда R1=R3=Rxmax:
Ucd=U =U (11)
Схема построена таким образом, что на реохорде Rp, выполняющем функции делителя напряжения, происходит компенсация (уравновешивание) разности потенциалов Uab такой долей от разности потенциалов Ucd, что Uef=Uab. Если компенсация не выполнена, то Uef¹Uab и на вход усилителя поступает сигнал, который заставляет перемещаться реверсивный двигатель до тех пор пока не наступит компенсация, т.е. Uef не будет равно Uab.
Двухмостовая схема позволяет измерять очень малые значения или малые изменения сопротивления одного или двух плеч. При использовании двухмостовой схемы в газоанализаторах, влагомерах и других приборах, появляются также другие ее преимущества, характерные для конкретных методов и средств измерения.
В соответствии с режимами работы возникают схемные и конструктивные различия мостов (рис. 11). В мостах, использующих равновесный режим работы (уравновешенных мостах), для измерения сопротивления необходимо уравновесить мост – выполнить условие:
Для этого одно или несколько плеч (резисторов) моста делаются переменными, сопротивления их могут быть определены. Тогда, добившись равновесия, на основании выше выраженного условия и известным трем сопротивлениям, определяется неизвестное (измеряемое) сопротивление.
Момент наступления равновесия определяется по отсутствию тока в нульгальванометре. Наиболее простой является схема с одним изменяемым сопротивлением. Однако значительное влияние на результаты измерения по такой схеме может оказывать сопротивление переходного контакта переменного резистора. В связи с этим более рациональной является схема, в которой подвижный контакт входит в измерительную диагональ. В этом случае в момент равновесия ток в измерительной диагонали равен нулю и поэтому сопротивление переходного контакта не влияет на результаты измерения. Для уравновешивания моста изменяется сопротивление сразу двух плеч или соотношение сопротивлений плеч.
Что бы закончить нашу тему о методах и средствах измерения температуры, рассмотрим схему автоматического уравновешенного моста (рис. 11), в котором уравновешивание осуществляется изменением сопротивления плеч. Автоматическое уравновешивание осуществляется так же, как и в автоматическом потенциометре. Если потенциалы вершин моста, к которым подключается измерительная диагональ, не равны, то в измерительной диагонали идет ток, который поступает на вход электронного усилителя (ЭУ). Выходной сигнал заставляет вращаться реверсивный двигатель, который перемещает движок реахорда (Rр) до тех пор, пока не наступит равновесие моста. Сопротивление Rр рассчитывается и изготовляется таким образом. что при изменении измеряемой температуры от минимального до максимального значения для уравновешивания моста, движок реохорда должен переместится от одного крайнего положения до другого, параметр m определяет положение движка в долях от Rр.
Измеряемое сопротивление (термометр) включено в плечо, прилежащее к реохорду. В этом случае уравнение шкалы перемещения движка реохорда в зависимости от изменения сопротивления будет линейно. Из уравнения:
Рис. 11. Автоматический уравновешенный мост с трехпроводной схемой включения термометра.
Как видно из выражения, показания моста m пропорциональны изменению сопротивления в плечо, прилежащее к реохорду, уравнение шкалы уравновешивающего моста получается линейным относительно изменения сопротивления.
Этот вариант схемы получил самое широкое распространение.
В этой схеме термометр сопротивления включен по трехпроводной схеме. Этот вариант схемы получил наибольшее распространение. Если возникает необходимость подключить сопротивление по двухпроводной схеме, для этого достаточно перенести питающую диагональ из точки 2 в точку 3.
Представленная схема имеет следующие преимущества:
– показания моста не зависят от напряжения питания;
Вместе с этой лекцией читают “77 Начало шизофрении“.
– показания прибора линейно связаны с изменением изменяемого параметра:
– измерение (уравновешивание моста) осуществляется автоматически;
– трехпроводная схема включения позволяет уменьшить или даже исключить погрешность показаний, вызываемую изменением сопротивления соединительных проводов.
К числу недостатков схемы следует отнести:
– необходимость в схеме устройства для уравновешивания;
– трудность или невозможность измерения малых сопротивлений.
Температурой называется статистическая величина, характеризующая тепловое состояние тела и пропорциональная средней кинематической энергии молекул тела. За единицу температуры принимают кельвин (К). Температура может быть также представлена в градусах Цельсия (°С). Нуль шкалы Кельвина равен абсолютному нулю, поэтому все температуры по этой шкале положительные. Связь между температурами t по Цельсию и T по Кельвину определяется следующим уравнением:
t = T-273,16.
Измерить температуру непосредственно, как, например, линейные размеры, невозможно. Поэтому температуру определяют косвенно — по изменению физических свойств различных тел, получивших название термометрических.
Измерение температуры связано с преобразованием сигнала измерительной информации (температуры) в какое-либо свойство, связанное с температурой.
Для практических целей, связанных с измерением температуры, принята Международная температурная шкала (МТШ-90) (рис. 2.89), которая является обязательной для всех метрологических органов. Она основывается на ряде воспроизводимых состояний равновесия (реперных точек) некоторых веществ, которым присвоены определенные значения температуры.
Рис. 2.89. Международная Температурная шкала (МТШ-90) с реперными точками (подчеркнуты)
Для измерения температуры наибольшее распространение получили следующие методы, основанные:
– на тепловом расширении жидких, газообразных и твердых тел (термомеханический эффект);
– изменении давления внутри замкнутого объема при изменении температуры (манометрические);
– изменении электрического сопротивления тел при изменении температуры (терморезисторы);
– термоэлектрическом эффекте;
– использовании электромагнитного излучения нагретых тел.
Приборы, предназначенные для измерения температуры, называются термометрами. Они подразделяются на две большие группы: контактные и бесконтактные.
Контактное измерение температуры.
Термометры расширения нашли широкое распространение в практике контактных измерений температуры. Основные типы механических контактных термометров, их метрологические характеристики, преимущества, недостатки и область применения представлены в табл. 2.18.
Жидкостные стеклянные термометры конструктивно подразделяются на палочные (рис. 2.90, а) и технические со вложенной шкалой (рис. 2.90, б). Принцип их действия основан на зависимости между температурой и объемом термометрической жидкости, заключенной в стеклянной оболочке. Жидкостный термометр состоит из стеклянной оболочки 1, капиллярной трубки 3, запасного резервуара 4 и шкалы 2. Термометрическая жидкость заполняет резервуар и часть капиллярной трубки. Свободное пространство в капилляре заполняется инертным газом или из него удаляется воздух.
Рис. 2.90. Жидкостные стеклянные термометры:
а — палочный; б — технический со вложенной шкалой; 1 — стеклянная оболочка; 2 — шкала; 3 — капиллярная трубка; 4 — запасной резервуар
Органические заполнители характеризуются более низкой температурой применения, меньшей стоимостью, большей погрешностью измерения.
Стеклянные термометры в зависимости от назначения и области применения подразделяются на образцовые, лабораторные, технические, бытовые, метеорологические.
В качестве технических применяют только термометры со вложенной шкалой, которые имеют две модификации: прямые и угловые. Допускаемая погрешность обычно равна цене деления. При стационарной эксплуатации в различных точках технологических агрегатов термометры устанавливают в специальных металлических защитных чехлах (кожухах).
Для обеспечения задач позиционного регулирования и сигнализации в лабораторных и промышленных установках применяют специальные электроконтактные технические термометры двух типов:
1) с постоянными впаянными контактами, которые обеспечивают замыкание и размыкание электрических цепей при одной, двух или трех заранее заданных температурах;
2) с одним подвижным контактом (перемещается внутри капилляра с помощью магнита) и вторым неподвижным, впаянным в капилляр, что обеспечивает замыкание и размыкание электрической цепи при любом значении выбранной температуры.
Перемещающаяся в капилляре ртуть размыкает или замыкает цепи между контактами, к которым подводится напряжение постоянного или переменного тока и нагрузка на которые не должна превышать 0,5 мА при напряжении не более 0,3 В.
Биметаллические и дилатометрические термометры основаны на свойстве твердых тел в различной степени изменять свои линейные размеры при изменении их температуры.
На рис. 2.91, а представлена конструкция биметаллического термометра, в котором в качестве термочувствительного элемента используется двухслойная пластинка, состоящая из металлов с существенно различными коэффициентами линейного расширения: латуни 1 и инвара 2. При увеличении температуры свободный конец пластины будет изгибаться в сторону металла с меньшим коэффициентом, по величине этого перемещения судят о температуре.
Данный тип устройств часто используется как термореле в системах сигнализации и автоматического регулирования, а также в качестве температурных компенсаторов в измерительных устройствах, например в радиационных пирометрах, манометрических термометрах и т. п.
На рис. 2.91, б приведена конструкция чувствительного элемента пневматического дилатометрического преобразователя температуры.
Рис. 2.91. Термометры:
а — биметаллический: 1 — латунь; 2 — инвар; б — дилатометрический: 1 — корпус; 2 — стержень; 3 — трубка; 4 — шарик; 5 — толкатель; 6 — пружина; 7 — преобразователь
В корпусе 1, изготовленном из латуни (нержавеющей стали) расположены трубка 3 и стержень 2, выполненный из инвара (кварца). Стержень 2 через трубку 3 и толкатель 5 с помощью пружины 6 постоянно поджимается к нижнему концу корпуса 1. Шарик 4 исключает появление люфтов между стержнем и компенсационной трубкой, которая выполнена также из латуни и предназначена для исключения температурной погрешности при установке на объектах с различной толщиной тепловой изоляции. Изменение разности удлинений корпуса 1 и стержня 2, пропорциональное изменению температуры измеряемой среды, трансформируется в пневматический сигнал в преобразователе 7, усиливается и поступает на регистрирующий прибор.
Дилатометрические преобразователи выпускают и с электрическим выходным сигналом. Класс точности устройств 1,5 и 2,5 с диапазоном измеряемых температур от -30 до +1000 °С.
Жидкостные манометрические термометры (рис. 2.92) основаны на использовании зависимости между температурой и давлением термометрического вещества (газа, жидкости), заполняющего герметически замкнутую термосистему термометра. Термосистема состоит из термобаллона 4, капилляра 5 и манометрической одно- или многовитковой пружины 6. Капилляр 5 соединяет термобаллон с неподвижным концом манометрической пружины. Подвижный конец пружины запаян и через шарнирное соединение 7, поводок 3, сектор 2 связан со стрелкой прибора 1.
Рис. 2.92. Конструкция манометрического термометра:
1 — стрелка; 2 — сектор; 3 — поводок; 4 — термобаллон; 5— капилляр; 6 — пружина; 7 — шарнирное соединение
При изменении температуры среды изменяется давление термометрического вещества в замкнутом пространстве, в результате чего чувствительный элемент (манометрическая пружина) деформируется и ее свободный конец перемещается. Данное перемещение преобразуется в поворот регистрирующей стрелки относительно шкалы прибора.
В зависимости от термометрического вещества манометрические термометры подразделяются на газовые, конденсационные и жидкостные.
В газовых термометрах термобаллон, капилляр и манометрическая пружина заполняются каким-либо инертным газом (азотом, гелием и др.). Диапазон измерения весьма широк и лежит в пределах от критической температуры газа (азот — 147 °С, гелий — 267 °С) до температуры, определяемой теплостойкостью материала термобаллона.
В конденсационных термометрах насыщенные пары некоторых низкокипящих жидкостей (ацетон, метилхлорид, этилхлорид) меняют давление при изменении температуры. Диапазон измерения этих приборов от 0 до +400 °С при погрешности измерений ±1 %.
В жидкостных термометрах термосистема заполнена хорошо расширяющейся жидкостью (ртутью, керосином, лигроином и др.). Диапазон измерения этих приборов от -30 до +600 °С при погрешности измерений ±1 %.
На показания манометрических термометров значительное влияние оказывают внешние условия: изменения температуры окружающего воздуха, различная высота расположения термобаллона и пружины, колебания атмосферного давления.
Манометрические термометры имеют ограниченную длину линии связи от термобаллона к показывающему прибору, большую инерционность и динамическую погрешность.
Класс точности манометрических термометров 1,0; 1,5; 2,5 и 4,0 при работе в интервале температур окружающего воздуха от 5 до 50 °С и относительной влажности до 80 %.
Манометрические термометры применяют для измерения температуры охлаждающей воды, воздуха, жидкого и газообразного топлива, на установках для заправки и т. п.
Термометр сопротивления состоит из чувствительного элемента в виде терморезистора, защитного чехла и соединительной головки.
Принцип действия чувствительного элемента основан на использовании зависимости электрического сопротивления вещества от температуры. В качестве материалов для их изготовления используют чистые металлы: платину, медь, никель и полупроводники. Платина является основным материалом для изготовления термометров сопротивления. В качестве чувствительного элемента в полупроводниковых термометрах сопротивления используют германий, окиси меди и марганца, титана и магния.
Основные метрологические характеристики термометров сопротивления, их принципиальные схемы, преимущества, недостатки и область применения представлены в табл. 2.19.
Для решения различных задач термометры сопротивления подразделяются на эталонные, образцовые и рабочие, которые, в свою очередь, подразделяются на лабораторные и технические.
Технические термометры сопротивления в зависимости от конструкции подразделяются: на погружаемые, поверхностные и комнатные; защищенные и не защищенные от действия агрессивной среды; стационарные и переносные; термометры 1-го, 2-го и 3-го класса точности и т.д.
Одна из конструкций промышленных термометров сопротивления, используемых для измерения температур жидких и газообразных сред, представлена на рис. 2.93, а. Термометр состоит из чувствительного элемента 5, расположенного в стальном защитном кожухе 3, на котором приварен штуцер 2. Провода 9, армированные фарфоровыми бусами 4, соединяют выводы чувствительного элемента 5 с клеммной колодкой б, находящейся в корпусе головки 1. Сверху головка 1 закрыта крышкой 10, снизу имеется сальниковый ввод 7, через который осуществляется подвод монтажного кабеля 8.
Рис. 2.93. Термометр сопротивления:
а — конструкция термометра: 1 — корпус головки; 2 — штуцер; 3 — защитный кожух; 4 — фарфоровые бусы; 5 — чувствительный элемент; 6 — клеммная колодка; 7 — сальниковый ввод; 8 — монтажный кабель; 9 — провода; 70 — крышка; б — конструкция чувствительного элемента термометра: 1 — глазурь; 2 — пространство; 3 — каркас; 4 — платиновые спирали; 5 — выводы
В качестве каркаса для платиновых термометров применяют плавленный кварц и керамику на основе окиси алюминия. В каналах каркаса 3 расположены четыре (или две) последовательно соединенные платиновые спирали 4. К верхним концам спиралей припаяны выводы 5, выполненные из платины или сплава иридия с радием. Пространство 2 между спиралями и каркасом заполнено порошком окиси алюминия. Крепление спиралей и выводов в каркасе производится глазурью 1.
При применении термометров сопротивления о температуре можно судить по изменению электрического сопротивления его чувствительного элемента, падению напряжения на нем при постоянном токе или значению тока при постоянном напряжении.
Наибольшее распространение получила первая схема, когда изменение сопротивления служит мерой температуры (рис. 2.94). В этом случае терморезистор 1 включают в одну из диагоналей моста последовательно с регулировочным резистором Rv, служащим для приведения к определенному значению сопротивления подводящих проводов. Показания гальванометра 3, включенного в диагональ моста, зависят также от напряжения питания моста, для поддержания постоянства которого в цепь питания включен регулировочный резистор.
Рис. 2.94. Схема включения термометра сопротивления:
1 — терморезистор (термометр сопротивления); 2 — уравнительный резистор RA; 3 — гальванометр; 4 — измерительный мост с резисторами Rv, R2, R3, Я4, RA; 5 — источник питания; 6 — регулировочный резистор Rv
Термоэлектрические термометры состоят из термопары, защитного чехла и соединительной головки, они основаны на термоэлектрических свойствах чувствительного элемента.
Сущность термоэлектрического метода заключается в возникновении электродвижущей силы в спае двух разнородных проводников (например, хромель — копель), температура которого отличается от температуры вторых выводов. Для получения зависимости термоЭДС от одной температуры t2 необходимо температуру t1 поддерживать на постоянном уровне, обычно при 0 или +20 °С. Спай, помещаемый в измеряемую среду, называют горячим, или рабочим, концом термопары, а спай, температуру которого поддерживают постоянной, — холодным, или свободным, концом.
Для увеличения чувствительности термоэлектрического метода измерения температуры в ряде случаев применяют термобатарею: несколько последовательно включенных термопар, рабочие концы которых находятся при температуре t2, а свободные — при известной и постоянной температуре t1.
Основные метрологические характеристики термоэлектрических термометров, их принципиальные схемы, преимущества, недостатки и область применения см. в табл. 2.19.
Основные характеристики термоэлектрических термометров представлены в табл. 2.20.
Рис. 2.95. Конструкция термоэлектрического термометра:
1 — контактное устройство; 2 — головка; 3 — термоэлектроды; 4 — штуцер; 5 — керамические трубки; В — защитный кожух; 7 — термопара
Спай на рабочем конце термопары 7 образуется сваркой, пайкой или скручиванием. Последний способ используется для вольфрам-рениевых и вольфрам-молибденовых термопар.
Для измерения возникающей термоЭДС в контур термопары в холодный спай (рис. 2.96, а) или в разрыв одного из термоэлектродов (рис. 2.96, б) с помощью проводов С включают измерительный прибор ИП. В первом случае (см. рис. 2.96, а) в схеме присутствуют три спая: горячий 2 и два холодных (1 и 3), во втором случае (см. рис. 2.96, б) в схеме — четыре спая: горячий 4, холодный 1 и нейтральные 2 и 3, причем температура последних t3 должна быть одинаковой.
Рис. 2.96. Схемы включения измерительного прибора:
а: 1 и 3 — холодные спаи; 2 — горячий спай; 6: 1— холодный спай; 2 и 3 — нейтральные спаи; 4 — горячий спай
В схеме уравновешивающего преобразования (рис. 2.97) уравновешивание ЭДС термопары осуществляется за счет сигнала с мостовой схемы, управляемой двигателем Д.
Рис. 2.97. Принципиальная схема подключения термоэлектрического термометра:
R1—R8 — сопротивления компенсационного моста; R1, R3 — терморезисторы; R9, R10 — сопротивления делителя напряжения; ТП — термопары; С — конденсатор; У — усилитель; Д — двигатель; ОУ— отсчетное устройство излучения
Компенсация методических погрешностей в термоэлектрических термометрах, обусловленных изменением температуры холодного спая, осуществляется путем применения мостовых схем с термосопротивлением, питаемых стабилизированным постоянным напряжением.
Бесконтактное измерение температуры.
О температуре нагретого тела можно судить на основании измерения параметров его теплового излучения, представляющего собой электромагнитные волны различной длины. Термометры, действие которых основано на измерении теплового излучения, называются пирометрами. Они позволяют измерять температуру в диапазоне от 100 до 6000 °С и выше.
Монохроматическим называется излучение, испускаемое при определенной длине волны.
На основании законов излучения разработаны пирометры следующих типов:
– суммарного (полного) излучения, в которых измеряется полная энергия излучения;
– частичного излучения (квазимонохроматические), в которых измеряется энергия в ограниченном фильтром (или приемником) участке спектра;
– спектрального отношения, в которых измеряется интенсивность излучения фиксированных участков спектра.
В пирометрах полного излучения оценивается не менее 90 % суммарного потока излучения источника. При измерении температуры реального тела пирометры этого типа показывают не действительную, а так называемую радиационную температуру тела.
Рис. 2.98. Схема радиационного пирометра:
1 — линза; 2 — диафрагма; 3 — приемник излучения; 4 — окуляр; 5 — фильтр; ОУ — отсчетное устройство
В радиационном пирометре (рис. 2.98) лучи нагретого тела поступают на линзу 1, которая направляет их через диафрагму 2 на приемник излучения 3. Приемник излучения состоит из большого числа термопар (термобатарея), горячие спаи которых выполнены в виде секторных тонких пластинок. Сигнал с термопар, соединенных последовательно, подается на отсчетное устройство ОУ. Через окуляр 4 с фильтром 5 производится наведение пирометра на объект измерения. Основные метрологические характеристики приемников полного излучения, их принципиальные схемы, основные преимущества, недостатки и область применения представлены в табл. 2.21.
Они подразделяются на электрические (термобатареи, болометры, тепловые индикаторы, пироэлектрические кристаллы), пневматические (детектор Голея) и оптические (жидкие кристаллы). Наибольшая чувствительность (105 В*Вт-1) у пневматических приемников. У электрических она составляет от 10-4 до 103 В*Вт-1.
