Для измерения температур применяются контактные и бесконтактные методы измерения.
Для реализации контактных методов измерения применяются:
· термометры расширения (стеклянные жидкостные, биметаллические и дилатометрические);
· манометрические термометры;
· термопреобразователи сопротивления (проводниковые и полупроводниковые);
· преобразователи термоэлектрические.
Контактные методы измерения более просты и точны, чем бесконтактные.
При выборе средств измерения температуры необходимо рассматривать условия измерения и особенности использования конкретных средств измерения.
В таблице 2 указаны отдельные свойства средств, которые облегчают их выбор.
Таблица 2- Сравнительные характеристики средств измерения температуры
Методическая погрешность: Нестабильность:
М – влияние менее 0,1- 0,2 %; М – изменение показаний менее 0,2% за год
С – влияние менее 0,2- 0,1 %. С – то же от 0,2 до 0,5% за год;
Б – то же свыше 0,5% за год.
Влияние окружающей среды:
М – влияние отсутствует;
С – изменение показаний на 0,3- 0,5 %;
Б – влияние более 0,5
1. Отличаются высокой стойкостью, простотой устройства и дешевизной, но неремонтнопригодны и не могут передавать показания на расстояние.
Пределы измерения -200 ÷ +750 ºС
Технические показывающие термометры:
Технические показывающие, сигнализирующие термометры:
тип ТЗК-П; ТПК-П.
1. Главное достоинство – возможность применения в пожаро- и взрывоопасных условиях. Обладает хорошей вибростойкостью. К недостаткам следует отнести невысокую точность.
Класс точности: 1; 1,5; 2,5; 4;
Диапазон от -200 до +600 ºС
Типы: ТГП- показывающий
Диапазон от -150 до +300 ºС
Типы: ТЖП- показывающий; ТЖС- самопишущий
Диапазон от -50 до +300 ºС
Тип ТКП2- показывающий
1 Термопреобразователи сопротивления выпускаются для измерения температур в диапазоне от -260 до +1100 ºС
2 К числу достоинств следует отнести:
§ высокую точность (меньшую, чем у стеклянных, но большую, чем у преобразователей термоэлектрических и всех остальных контактных термопреобразователей и термометров);
§ стабильность характеристики преобразователя;
§ возможность измерять криогенные температуры.
3 К недостаткам следует отнести большие размеры чувствительного элемента, не позволяющие измерять температуру в точке объекта.
4 В соответствии с ГОСТ 6651- 84 выпускаются термопреобразователи сопротивления, представленные в таблице 3.
5 При выборе модификации термопреобразователя сопротивления необходимо знать монтажную длину и условное давление Ру. Монтажная длина погружаемой части термопреобразователей сопротивления и преобразователей термоэлектрических выбирается из ряда: L= 120, 160, 200, 250, 320, 400, 500, 630, 800, 1000, 1250, 1600, 2000 мм
Приближенно монтажную длину можно рассчитать по формуле:
L1= hб + S + 0.5D, мм
где hб = 50 мм – высота бобышки или крепежной конструкции;
S = толщина стенки трубопровода или газохода;
Д = внутренний диаметр трубопровода.
По L1 выбирают ближайшее стандартное значение L.
Следует учитывать, что конец погружаемой части должен размещаться для платиновых ТСП на 50- 70 мм ниже оси потока, для медных ТСМ на 25- 30 мм, а для преобразователей термоэлектрических на 5- 10 мм.
При установки термопреобразователя в топках, газоходах и т.п. конец его должен входить в измеряемую среду на 20- 50 мм.
Величина условного давления Ру легко определить, зная рабочее давление. Температуру измеряемой среды и материал защитной гильзы по таблице 4.
Например: сталь Х18Н10ОТ, t = 560 ºС и Рраб = 22,5 МПа.
Тогда Ру = 40МПа
Таблица 4 – Давления условные и рабочие для арматуры и соединительных частей трубопроводов из сталей
6 Вторичным прибором, работающим в комплексе с термопреобразователями сопротивления (естественный сигнал по сопротивлению), что могут быть ЛОГОМЕТРЫ
При выборе шкалы логометра учитывается градуировка термопреобразователя сопротивления и величина контролируемой температуры.
· Показывающие- Ш69000; Ш69001; Ш69002;
· Показывающие и сигнализирующие- Ш69006
Класс точности 1,5
7 В подразделе 4.1 приведена структура выбора комплекта приборов для измерения температуры.
1 Преобразователи термоэлектрические используются в диапазоне от – 200 до +2500 ºС.
· Могут измерять температуру в точке объекта или измеряемой среды;
· Имеют малые габариты (от 0,5 мм);
· Достаточна большая точность;
· Стабильность характеристик преобразователя (хотя уступает термопреобразователям сопротивления).
2 Недостатки:
· Необходимость применения специальных термоэлектронных проводов;
· Необходимость стабилизации или автоматического введения поправки на температуру свободных концов.
3 В таблице 5 приведены основные характеристики преобразователей термоэлектрических.
4 Преобразователи термоэлектрические выпускаются:
· погружаемые и поверхностные;
· обыкновенные, водозащитные, взрывобезопасные, защищенные от агрессивных сред и других внешних воздействий;
· негерметичные и герметичные;
· малой (МИ), средней (СИ), большой (БИ), инерционности;
· обыкновенные и виброустойчивые;
· одинарные, двойные и тройные;
· однозонные и многозонные;
5 Выбор монтажной длины и материала защитного чехла термопреобразователя производится аналогично пункту 5 предыдущего подраздела.
6 Преобразователи термоэлектрические (с естественным выходным сигналом по напряжению постоянного тока) работают в комплекте с вторичными приборами- МИЛЛИВОЛЬТМЕТРАМИ.
7 При выборе шкалы милливольтметров учитывают тип термопреобразователя и максимальную температуру.
Показывающие: Ш4500; Ш-4501; Ш-4541; Ш-4540; Ш-4538; М1730; Ф1760.
Показывающие и сигнализирующие: МВУ6- 41А/С/К; МВУ6- 42А/С/К.
Класс точности- 1; 1,5.
9 В подразделе 4.1 приведена структура выбора комплекта приборов для измерения температуры.
10 Если вторичные приборы не имеют в своей схеме устройства компенсации холодных спаев преобразователя термоэлектрического, то в состав измерительного комплекта необходимо включать устройство компенсации. В качестве этого устройства могут использоваться устройства компенсации типа УК; УК-2; УК-3.
К устройствам компенсации типа УК; УК-2; УК-3 можно подключить один, двенадцать, три преобразователей термоэлектрических соответственно.
ТЕРМОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ С УНИФИЦИРОВАННЫМ СИГНАЛОМ
1 Для получения унифицированного сигнала по температуре в комплект с термопреобразователем включают преобразователь измерительный (нормирующий преобразователь). Возможно использование преобразователей измерительных указанных в таблице 6.
Конструктивными особенностями таких устройств являются:
§ Измерительный преобразователь встроен в клемную головку первичного преобразователя.
§ В состав термопреобразователей типа ТХАУ и ТХКУ входит компенсатор температуры «холодного спая».
§ Термопреобразователи имеют несколько вариантов исполнения защитной арматуры.
В таблице 7 приведены типы термопреобразователей с унифицированным выходным сигналом, которые выпускаются различными приборостроительными заводами.
3 Для работы термопреобразователей с унифицированным выходным сигналом необходимо обязательно предусмотреть блок питания. Блоки питания предназначены для преобразования сетевого напряжения ~220В в стабилизированное напряжение постоянного тока.
В таблице 8 приведены типы и основные характеристики стабилизированных блоков питания на различные диапазоны напряжения.
1 В настоящее время приборостроительная промышленность рекомендует к использованию вторичные электронные цифровые и аналоговые приборы типа ИР; РТ2М; РТМ-3; ТР-3; ИТ-1
ИТ-4, которые предназначены, в основном, для измерения температуры. В таблице 9 переведены типы современных вторичных приборов, которые могут заменить уже используемые в производстве.
2 Индикаторы температуры ИТ (одноканальные)
Индикаторы температуры ИТ предназначены для цифровой индикации температуры, измеряемой термопреобразователем сопротивления или преобразователем термоэлектрическим
(с естественным видом сигнала). В таблице 10 приведены основные характеристики приборов типа ИТ-1; ИТ-3; ИТ-4.
3 Многоканальные измерители температуры МИТ-12
Приборы МИТ-12 это щитовые приборы, предназначенные для проведения высокоточных измерений температуры при помощи термопреобразователей сопротивления или преобразователей термоэлектрических по 12 каналам, представления информации по каждому каналу на цифровом дисплее прибора и передачи измеренных значений на ЭВМ. Прибор имеет 2-х контактное устройство сигнализации.
Приборы, в зависимости от исполнения, имеют следующие обозначения:
МИТ-12ТС – для работы с термопреобразователями сопротивления;
МИТ-12ТП – для работы с преобразователями термоэлектрическими.
Таблица 11- Технические характеристики приборов МИТ-12
4 Миллиамперметры постоянного тока
Миллиамперметры постоянного тока типа ИР; РТ2М; РТМ-3; РТ-3 имеют название «регуляторы температуры» и предназначены для работы только в комплектах по температуре.
Регуляторы температуры типа ИР; РТ2М; РТМ-3; РТ-3 предназначены для точного измерения, цифровой индикации и регулирования температуры различных объектов и процессов.
В таблице 12 приведены основные характеристики миллиамперметров постоянного тока типа ИР; РТ2М; РТМ-3; РТ-3.
Регуляторы температуры типа ИР (миллиамперметр постоянного тока) кроме температуры предназначены для точного измерения, цифровой индикации и регулирования других физических величин различных объектов и процессов. Под физическими величинами понимаются давление, расход, уровень, скорость и прочие величины, которые измеряются первичными преобразователями с унифицированными выходными сигналами. В этих случаях возможен пересчет в значения физической величины, соответствующей этим унифицированным сигналам.
В таблице 13 приведены стандартные диапазоны температур, которые соответствуют приборам типа ИР; РТ2М; РТМ-3; РТ-3.
При выборе датчиков температуры (ДТ) следует учитывать много нюансов, описание которых в короткой статье не представляется возможным. Поэтому специалисты отдела датчиков ОВЕН дали базовые рекомендации, которые помогут выбрать наиболее подходящий датчик для решения задачи.
Основными типами термопреобразователей – устройств, предназначенных для преобразования температуры в электрический сигнал, являются термосопротивления и термопары. Термосопротивления – датчики, принцип действия которых основан на свойстве проводника менять электрическое сопротивление пропорционально изменению температуры среды. Термопары – датчики, принцип действия которых основан на возникновении термоэлектродвижущей силы в замкнутой системе, состоящей из двух проводников с разными термоэлектрическими свойствами. Компания ОВЕН производит множество модификаций термопар и термосопротивлений. При подборе датчика нужно исходить из следующих основных критериев: температура измерения; место монтажа; расстояние от датчика до прибора.
Температура измерения
Основной показатель для выбора датчика – это измеряемая температура: максимальная при нагреве и минимальная при охлаждении. Например, для процесса термообработки металла при 1000 °C следует выбирать термопару, которая может долговременно работать при данной температуре. Это может быть хромель-алюмель ХА (К), нихросил-нисил НН (N) или более дорогая, но надежная платинородий-платиновая термопара ПП (S). При охлаждении ниже минус 70 °C – выбор за термосопротивлениями 50П и 100П, которые стабильно работают до -196 °C.
На заметку. Для измерений до 400-500 °C при прочих равных условиях выбирают термопреобразователи на более высокие температуры – термопары.
Протяженность линий связи датчик-прибор
Сначала необходимо определиться, в какой точке процесса нужно измерять температуру. Часто производители технологического оборудования сами предусматривают места установки датчиков – в стенках агрегатов, печей уже имеются технологические отверстия, резьбовые втулки и др. Для трубопроводов чаще всего применяются датчики с резьбовым штуцером и дополнительной арматурой для монтажа – гильзами и бобышками. Но возможен и вариант применения накладных датчиков температуры.
Передача показаний
В качестве материала термопары используются металлы и сплавы, наилучшим образом подходящие на роль проводников-термоэлектродов. Они попарно компонуются в связки, называемые типами термопар: хромель – алюмель ХА (К), хромель – копель ХК (L), нихросил-нисил НН (N), железо-константан ЖК (J), платинородий-платина ПП (S, R), платинородий-платинородий ПП (В) и др. Различаются величиной вырабатываемой термоэлектродвижущей силы (ТЭДС), температурой применения, чувствительностью, особенностями эксплуатации и т.д.
Пара хромель-алюмель (К) устойчива к деформации, имеет высокую чувствительность, применяется на производстве и в лабораторных установках. В этой паре со временем происходит дрейф ТЭДС, т.е. растет погрешность измерения. Погрешность зависит от условий эксплуатации: величины рабочих температур; состава среды, с которой контактирует термопара; конструктивного исполнения термопары и т.д.
Диапазон измеряемых температур термопары ХА: от -200 до +1200 ˚С, однако, не следует применять ее на предельных значениях, т.к. это приводит к ускоренному дрейфу термоЭДС (ТЭДС), и, как следствие, термопара прослужит недолго. ОВЕН рекомендует применять хромель-алюмелевые термопары (ДТПК) в диапазоне: от -40 до +1100 ˚С.
Верхняя граница диапазона измеряемых температур для пары хромель-копель (L) по сравнению с предыдущей ХА ниже (ОВЕН ДТПL до +600 ˚С). К ее особенностям относятся: высокая чувствительность и высокая термоэлектрическая стабильность, т.е. ничтожно малый дрейф ТЭДС. К недостаткам – высокая чувствительность к деформации. За рубежом ХК практически не применяется, используется похожий по характеристикам тип Е.
Термопара железо-константан (J) служит для измерения не очень высоких температур (до +750 ˚С). Ее отличает от других термопар стабильная работа в восстановительной среде (СО и H2). Поэтому она применяется для контроля температуры в печах для безокислительного нагрева металла. В агрегатах с восстановительной атмосферой термопары типа J будут лучшим выбором.
Термопара нихросил-нисил (N) является улучшенной версией термопары ХА. Температура применения до 1250 ˚С, дрейф термоЭДС и погрешность измерения гораздо меньше. Это позволяет применять термопару типа N вместо дорогостоящих термопар, например, вместо платинородий-платиновой (S). ДТПN считается самой точной термопарой из неблагородных металлов.
Термопара типа В развивает небольшую термоЭДС при температуре ниже 600 ˚С, поэтому для измерения низких температур не подходит. Однако, она подходит для долговременного измерения температур вплоть до 1600 ˚С, кратковременно – до 1800 ˚С.
Платинородий-платиновые датчики отличаются стабильностью, высокой точностью и сопротивлением к коррозии в окислительных и нейтральных средах.
Рис. 1. Температуры применения различных типов термопар
Конструктивные исполнения термопар
Для защиты термоэлектродов от механических повреждений и вредных воздействий внешней среды их помещают в защитную арматуру. При изготовлении малогабаритных термопар для измерения температур до 300-400 ˚С используются трубки из латуни; для более массивных датчиков, предназначенных на температуры до 800-900 ˚С, используются трубки из нержавеющей стали. Выше 1000 ˚С и до 1250 ˚С применяются трубки из жаростойких сталей и сплавов (15Х25Т, ХН45Ю, Nicrobell), а также керамические защитные чехлы. При измерении температуры расплавов металлов и солей применяют толстостенные чехлы из серого чугуна, нитрида и карбида кремния.
Тип коммутации
По типу коммутации с приборами термопары делятся на два больших класса: с кабельными выводами и с коммутационными головками.
Рис. 2. Термопары с кабельными выводами
Рис. 3. Термопары с коммутационными головками
Датчики с кабельным выводом (рис. 2) можно подключать к измерителям, при этом нужно точно оценить длину кабеля. Такие модели рекомендуется применять до 400 ˚С. В датчиках с коммутационной головкой (рис. 3) провода для линии связи «датчик-прибор» подключаются к клеммам в головке. Этот класс стоит использовать для более высоких температур (до 800 – 900 ˚С), а также при неизвестном расстоянии между датчиком и прибором. Термопарный провод при этом приобретается отдельно. Категорически не рекомендуется подключать термопары к вторичным приборам медными или алюминиевыми проводами (рис. 4, 5). Это приведет к ошибке измерения, может повлечь брак термообрабатываемой продукции и другие непредсказуемые последствия.
Существует также третий класс – бескорпусные (поверхностные) датчики (рис. 6). Конструкция такой термопары максимально проста: термоэлектроды находятся внутри оплетки из кремнеземной нити, рабочий спай открытый, температура применения – вплоть до 300 °C.
Термометры сопротивления
Термометры сопротивления (ТС) – это датчики температуры, принцип действия которых основан на зависимости электрического сопротивления сенсора от температуры. Термосопротивления также существуют несколько видов. Рассмотрим основные характеристики наиболее часто используемых ТС.
НСХ (номинально-статическая характеристика) – это самая важная характеристика ТС, которая определяет зависимость сопротивления от температуры. На рис. 7 показан диапазон измерения температур в зависимости от НСХ.
Рис. 7. Диапазон измерения температур в зависимости от НСХ
50 Ом, 100 Ом или 1000 Ом
Принцип действия ТС – это изменение сопротивления сенсора при изменении температуры. Но к сопротивлению чувствительного элемента прибавляется сопротивление линий связи от датчика до прибора. Исходя из этого, лучше использовать ТС с большим сопротивлением, по сравнению с сопротивлением линии связи. Поэтому 1000 Ом – оптимальный выбор. Однако многие приборы не могут работать с таким видом НСХ, поэтому стандартом является 50 Ом и 100 Ом.
Необходимо сказать пару слов о схемах подключения ТС (рис. 8):
– некоторые приборы поддерживают только двухпроводную схему подключения ТС (например, программируемое реле ПР200). В таком случае рекомендуем выбирать именно РТ1000, чтобы минимизировать ошибку измерения
– если есть возможность, лучше использовать трех- или четырехпроводные схемы подключения. Тогда и с помощью низкоомных датчиков получится точно измерять температуру.
Рис. 8. Схемы подключения термосопроивления
Медь или платина?
От материала чувствительного элемента зависит диапазон измерения температур. Медные: от -50 до +180 ⁰С, платиновые: от -196 до +500 ⁰С. По цене: термосопротивления из меди – дешевле, из платины – дороже. Еще один показатель, который нужно учитывать при выборе материала, это стабильность и точность. В ГОСТ Р 6651-2009 приведена таблица зависимости класса точности от материала и диапазона измерения.
Отличие 100П и Pt100
Существуют следующие технологии производства чувствительных элементов: намоточная (проволочная) и тонкопленочная (рис. 9).
100П применяется в основном российскими производителями, изготавливается по проволочной технологии, работают в широком диапазоне, но сенсор достаточно громоздкий.
Рt100 на основе тонкопленочных чувствительных элементов получают напылением тонкого слоя металла на керамическую подложку с образованием токопроводящей дорожки. Этот чувствительный элемент имеет малые габариты, что позволяет использовать в моделях с малым диаметром. Также технология производства позволяет делать 500- и 1000-омные сенсоры.
Рис. 9. Технологии производства чувствительных элементов
Точность
Класс допуска определяет максимально допустимое отклонение от номинальной характеристики. Отклонение, как функция температуры, фиксирует наименьшее допустимое отклонение при нуле градусов. При уменьшении или увеличении температуры диапазон допустимых значений линейно увеличивается.
Существуют 4 класса допуска АА, А, В, С (рис. 10).
Класс допуска В – общепромышленное исполнение, которое является стандартом ОВЕН.
Класс допуска А и АА – заказываются для лабораторных измерений.
Сопротивление, ток или цифровой
При выборе выходного сигнала все сводится к надежности и цене. Надежность рассматривается в разрезе помехоустойчивости: токовый сигнал более помехоустойчив, чем сигнал «сопротивление»; цифровой сигнал, например, RS-485, более помехоустойчив, чем токовый.
Что касается цены: самый дешевый – сопротивление, токовый – средняя ценовая категория, самый дорогой цифровой. Но, с другой стороны, при выборе комплекта оборудования стоит учитывать, что датчики с RS-485 позволяют использовать более дешевые контроллеры, т.к. нет необходимости в аналоговых входах и применении модулей аналогового ввода.
Температура – один из параметров состояния вещества: газа, жидкости, твёрдого тела. Температура определяет тепловое состояние тела и направление теплопередачи.
За единицу измерений температуры в «СИ» принят Кельвин (К). Допускается применять также шкалу Цельсия, температура по которой определяется выражением:
t= Т-То (10.1),
где То =273,15 К;
t- температура в градусах Цельсия;
Т – температура в Кельвинах.
Температуру, выраженную в градусах Цельсия обозначают «°С».
По размеру единицы физической величины градус Цельсия равен Кельвину.
Температуру измеряют с помощью средств измерений (систем измерительных), использующих различные термометрические свойства жидкостей, газов и твердых тел. К таким средствам измерений относятся:
– термометры расширения;
– термометры манометрические;
– термометры сопротивления с логометрами или мостами;
– термопары с милливольтметрами или потенциометрами;
– пирометры излучения.
Температуру измеряют контактным (с помощью термометров сопротивления, манометрических термометров и термометров термоэлектрических) и бесконтактным (с помощью пирометров) методами.
– наиболее высокая точность измерений температуры достигается при контактных методах измерений;
– бесконтактный метод служит для измерений высоких температур, где невозможно измерять контактными методами и не требуется высокой точности.
Измерительная система температур представляет собой совокупность термометрического преобразователя (датчика) и вторичного измерительного прибора.
Термометрический преобразователь – измерительный преобразователь температуры, предназначенный для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи дальнейшего преобразования, обработки или (и) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдением.
К термометрическим преобразователям относят:
– термометры сопротивления;
– термоэлектрические термометры (термопары);
– телескоп радиационного пирометра.
Вторичный измерительный прибор – средство измерений преобразующее выходной сигнал термометрического преобразователя в численную величину.
В качестве вторичных измерительных приборов используют ло-гометры, мосты, милливольтметры, автоматические потенциометры.
Приборы контроля имеют четыре разновидности:
– показывающие – предусматривающие только визуальный отсчет показаний (результатов контроля);
– регистрирующие – имеющие устройства для регистрации (записи, печатания) результатов контроля;
– самопишущие – регистрирующие приборы с автоматической записью результатов контроля в виде функции времени (непрерывной или прерывистой);
– индикаторные – предназначенные для сигнализации о достижении заданной температуры.
Наиболее широко распространенными средствами измерений температуры являются термометры расширения:
– термометры жидкостные стеклянные;
– термометры контактные ртутные и терморегуляторы;
Термометры контактные ртутные и терморегуляторы – приборы, предназначенные для замыкания и размыкания цепи электрического тока с целью поддержания заданной температуры или
сигнализации о её достижении.
Принцип действия данных приборов основан на способности ртути служить проводником электрического тока.
Термометры изготавливают с подвижным рабочим контактом (ТПК), терморегуляторы с заданным постоянным рабочим контактом (ТЗК).
Основные технические параметры термометров контактных и терморегуляторов приведены в таблице 10.1.
Жидкостные стеклянные термометры используют термометрическое свойство теплового расширения тел. Действие термометров основано на различии коэффициентов теплового расширения термометрического вещества и оболочки, в которой оно находится (термометрического стекла, реже – кварца).
Температуру следует определять по величине видимого изменения объёма термометрического вещества и отсчитывать по высоте уровня в капиллярной трубке.
Жидкостные стеклянные термометры градуируют в градусах Цельсия термодинамической температурной шкалы. Достоинства жидкостных стеклянных термометров:
– простота употребления,
– достаточно высокая точность измерений,
– широкий интервал измерения.
Недостатки жидкостных стеклянных термометров:
– плохая видимость шкалы,
– невозможность автоматической записи показаний,
– передачи показаний на расстояние.
Основные технические характеристики, конструктивные особенности жидкостных стеклянных термометров устанавливает ГОСТ 28498.
Предел допускаемой погрешности жидкостных термометров в зависимости от диапазона измерений температуры, цены деления шкалы и класса точности не должен превышать значений, указанных в таблицах 10.10, 10.11, 10.12.
Манометрические термометры – простые механические приборы прямого измерения, предназначенные для дистанционного измерения температуры газов, паров и жидкостей в стационарных условиях.
Принцип действия приборов основан на свойстве газов и жидкостей изменять давление при изменении измеряемой температуры.
Манометрические термометры отличаются сравнительной простотой конструкции и применения, возможностью дистанционного измерения температуры (передачи показаний на расстояние), возможностью автоматической записи показаний.
Недостатки манометрических термометров:
– относительно невысокая точность измерений,
– небольшое расстояние дистанционной передачи показаний (не более 60 м),
– трудность ремонта при разгерметизации измерительной системы.
Термопреобразователь сопротивления (ТС) – термоприёмник, в котором в качестве термометрического свойства использовано изменение электрического сопротивления чувствительного элемента в зависимости от понижения или повышения его температуры, то есть посредством термометра сопротивления колебания температуры преобразуются в эквивалентное изменение электрического сопротивления проводника.
Чувствительный элемент термопреобразователей Сопротивления изготавливают чаще всего из медной или платиновой проволоки, вследствие чего термометры делят на медные (ТСМ) и платиновые (ТСП), предназначенные для длительного измерения температуры в пределах от минус 50 до плюс 200 °С для медных; от минус 200 до плюс 1100 °С для платиновых.
Термопреобразователь сопротивления в отличие от жидкостных стеклянных и манометрических термометров не является прибором показывающим температуру, а служит лишь датчиком.
Термопреобразователи сопротивления работают с вторичными приборами – логометрами и мостами, измеряющими сопротивление термометра и показывающими соответствующую этому сопротивлению температуру среды.
Основополагающие требования, обеспечивающие правильность выбора и эксплуатации термопреобразователей сопротивления:
– соответствие измеряемой температуры пределам измерений термопреобразователя сопротивления;
– допустимая погрешность измерений;
– правильный выбор места установки термопреобразователя сопротивления;
– соответствие прочности и материала арматуры условиям эксплуатации;
– правильный выбор длины монтажной части термопреобразователя сопротивления.
Длина монтажной части для термопреобразователей сопротивления:
– с неподвижным штуцером (фланцем) должна определяться как расстояние от рабочего конца до опорной плоскости штуцера или фланца,
– для термометров с подвижным штуцером (фланцем), а также для термометров без штуцера и фланца – как расстояние от рабочего конца до головки, а при отсутствии головки – как расстояние до места заделки выводных концов.
Основные параметры термопреобразователей сопротивления приведены в таблице 10.3.
Логометры – приборы, предназначенные для измерений температуры с помощью термометров сопротивления.
Логометры построены по принципу сравнения сил токов в цепях термометра и постоянного сопротивления.
Логометры наиболее целесообразно применять при измерении низких минусовых (от минус 100 °С) и невысоких плюсовых (до плюс 500 °С) температур. В данном случае они обладают большей надёжностью в сравнении с милливольтметрами.
Конструктивные особенности, диапазоны измерений, классы точности логометров устанавливает ГОСТ 9736.
Логометры, выпускаемые серийно, имеют градусные шкалы, рассчитанные на подключение термометров сопротивления определённых типов.
Термоэлектрические преобразователи (ТП) – термоприёмники, принцип действия которых основан на возникновении электродвижущей силы (э.д.с.) в цепи, составленной из разнородных проводников, при нарушении теплового равновесия.
Величина термо э.д.с. зависит от материала электродов и разности температур горячего и холодного спаев, называемых, соответственно, рабочим и свободным концом термопары.
Рабочий конец термопары должен быть помещён в измеряемую среду, свободные концы присоединяют к вторичному прибору.
Термопары работают в комплекте с пирометрическими милливольтметрами, потенциометрами и цифровыми приборами.
Термопары, уступают термометрам сопротивления в точности, но имеют ряд преимуществ: они дёшевы, просты по устройству, надёжны в эксплуатации и значительно менее инерционны.
Номинальные статические характеристики преобразования для термопар отражены в ГОСТ Р 8.585.
Основные характеристики термопар, а также предел допускаемой погрешности термопар в зависимости от измеряемой температуры приведены в таблице 10.5
Пирометрический милливольтметр – вторичный прибор, служащий для измерений величин т.э.д.с., создаваемой термоэлектрическим термометром.
Пирометрический милливольтметром – это магнитоэлектрический милливольтметр, отградуированный при определённых условиях в градусах температуры.
Пирометрические милливольтметры (таблица 10.6) могут иметь разнообразные шкалы для всех стандартных градуировок термопар в пределах их применения вплоть до температур, допускаемых для кратковременных измерений. Шкалы могут начинаться как от 0°С, так и от других значений.
Конструктивные особенности, диапазоны измерений, классы точности пирометрических милливольтметров устанавливает ГОСТ 9736.
Автоматические потенциометры – приборы служащие для измерений т.э.д.с. компенсационным методом, без ручных манипуляций.
Автоматические потенциометры предназначены для измерений, записи и регулирования температуры с повышенной точностью.
Потенциометры работают в комплекте с термопарами и радиационными пирометрами стандартных градуировок. Могут работать и с другими датчиками, являющимися источниками э.д.с. или напряжения.
В отличие от милливольтметров, потенциометры могут производить автоматическое измерение и запись показаний температуры в нескольких точках (1, 3, 6, 12 и 24) и имеют автоматическую компенсацию температуры холодных спаев термопар.
Автоматические потенциометры типов:
– КСП1 и КПП1 миниатюрные, показывающие, самопишущие и регулирующие приборы. Они могут иметь дополнительные устройства для сигнализации о достижении измеряемыми параметрами заданных значений или для их регулирования, а также устройства для дистанционной передачи показаний;
– Диск-250, КСПЗ – показывающие, самопишущие и регулирующие приборы и одноточные с записью на дисковой диаграмме. Отличаются высокой эксплуатационной надёжностью, выпускаются без выходных устройств и с выходными устройствами;
– КСП4 – подразделяются на одноточечные и многоточечные. Изготовляются в обычном и искробезопасном исполнении.
Конструктивные особенности, диапазоны измерений, класс точности автоматических потенциометров устанавливает ГОСТ 7164.
Основные технические характеристики автоматических потенциометров, приведены в таблице 10.7.
Пирометры излучения – приборы, служащие для измерения теплового состояния тел, нагретых до высоких температур, бесконтактным методом.
Принцип работы пирометров излучения основан на улавливании лучистой энергии нагретого тела с помощью оптической системы.
Пирометры излучения можно разделить на пирометры частичного излучения – оптические, пирометры полного излучения – радиационные.
Оптическим пирометром называют прибор, предназначенный для измерений яркостных температур накаленных тел в одном узком интервале длин волн видимого спектра. Чувствительным элементом при этом служит глаз наблюдателя.
Прибор выполнен в виде малогабаритного переносного прибора состоящего из камеры с рукояткой. В нижней части корпуса (рукоятке) находится блок питания пирометра – аккумуляторные батареи. Принцип действия прибора основан на уравновешивании яркости изображения накаленного объекта с яркостью эталонного источника – пирометрической лампочки.
Радиационным пирометром называют прибор для бесконтактного определения температур тел по результатам измерений их теплового излучения во всем спектре длин волн.
Комплект радиационного пирометра состоит из двух блоков. Один из них, называемый телескопом радиационного пирометра, включает в себя приемник излучения, соответствующую оптическую систему. Второй блок – показывающий или регистрирующий измерительный прибор.
Основной частью радиационных пирометров, является телескоп, например, «ТЕРА-50» с термобатареей, преобразующей излучаемую поверхностью накаленного объекта энергию в т.э.д.с.
В качестве показывающего прибора применяют электронный потенциометр КСПЗ или КСП4.
Электронный потенциометр должен быть подобран в соответствии с градуировкой телескопа.
Основные технические данные телескопа «ТЕРА-50» приведены в таблице 10.9.
Пирометры излучения следует применять:
– в температурных диапазонах в средах, где контактные термометры не могут работать длительное время;
– при необходимости обеспечения высокого быстродействия;
– если контакт термопреобразователя с объектом измерений недопустим ввиду искажения им температурного поля.
Отечественные пирометры излучения отличаются практически неограниченным верхним пределом измерений, быстродействием, широкой областью применения, высокой надёжностью и точностью, взаимозаменяемостью.
Выбор средств измерений следует осуществлять одним из трёх способов:
– по таблицам рекомендуемого приложения А;
В основу выбора средств измерений температуры расчетным способом положено соотношение:
– для средств измерений (работающих без датчиков) по формуле (7.1) настоящего документа;
– для измерительных систем (датчик плюс вторичный прибор) по формуле (7.5) настоящего документа;
Предельные погрешности измерений
в данных формулах указаны в виде абсолютных значений, на которые результаты измерения могут отличаться от истинного значения измеряемой величины.
Данной методикой расчёта, или таблицами рекомендуемого приложения А следует пользоваться при выборе средств измерений температуры в технологических процессах, а так же при разработке испытательных установок, где температурная характеристика не является основным параметром.
В основу выбора средств измерений температуры положено соотношение:
где Д – допуск измеряемой величины;
К – коэффициент, обуславливающий требуемую достоверность результата измерений и равный одному из значений ряда: 1,0; 2,5; 3,0; 3,5; 4.0; 4,5; 5,0; 10,0;
Примечание – Если значение К не установлено документом, регламентирующим технологический процесс, то оно принимается равным единице при доверительной вероятности результата измерений 0,95.
– основная абсолютная погрешность вторичного прибора (регистратора).
Данной методикой расчёта следует пользоваться конструкторам разработчикам печей, сушильных шкафов, оснастки и прочего оборудования вновь разрабатываемого и модернизируемого.
Примеры выбора средств измерений температуры.
Пример 1 – Необходимо выбрать средство измерений температуры жидкости в прокачной установке. Температурный режим:
наибольшее предельное значение температуры:
(80 + 10) °С =90°С
наименьшее предельное значение температуры:
(80 – 0) °С = 80 °С;
основную абсолютную погрешность измерений (по формуле (7.1)):
нижний предел рабочей части шкалы (по формуле (7.2)):
Нди < 80 °С – 3,3 °С = 76,7 °С;
верхний предел рабочей части шкалы (по формуле (7.3)):
В соответствии с найденными значениями Д, Нди, Вди по таблице 10.2 выбираем манометрический термометр с диапазоном измерений от (0 до 100) °С. Определяем основную приведённую погрешность выбранного манометрического термометра по (формуле (7.10)).
По найденному значению основной приведённой погрешности выбираем манометрический термометр класса точности 2,5 не более.
Способ с использованием таблиц приложения А.
На этой же строке в третьей графе находим меньшее ближайшее значение допуска по отношению к заданному. Этим значением является 7,5 °С.
В оглавлении таблицы по значению допуска 7,5 °С, находим соответствующий ему класс точности 2,5.
Пример 2 – Выбрать составляющие измерительную систему датчик и вторичный измерительный прибор для измерений температуры (860 ± 15) °С. Режим работы длительный.
8600С + 15°С=875°С
875 °С – 845 °С = 30 °С.
В качестве датчика наиболее приемлема термопара из неблагородных металлов. В измеряемом диапазоне температур целесообразно использовать термопару хромель-алюмель со стандартной градуировочной характеристикой К. В комплекте с термопарой в качестве вторичного показывающего прибора могут применяться милливольтметр или автоматический потенциометр.
погрешность датчика градуировки К класса допуска 2 согласно табл.10.5 в диапазоне 900 °С:
погрешность вторичного измерительного прибора, используя (формулу (7.5)):
< 7,2 °С
основную приведенную погрешность вторичного прибора (по формуле (7.10)):
найденному значению соответствует класс точности 0,5.
Вывод – для измерений температуры (860 ± 15) °С выбираем автоматический потенциометр класса точности 0,5 с диапазоном измерений от 600 до 1100 °С, термопару никельхром-никельалюмель со стандартной градуировочной характеристикой «К» класса допуска 2.
Во второй графе колонки находим тип датчика. В соответствии с приведёнными ранее соображениями выбираем термопару никель-хром-никельалюмель.
В третьей графе колонки на строке, соответствующей подгруппе термопары никельхром-никельалюмель определяем градуировочную характеристику термопары «К».
В шестой и восьмой графах колонки на этой же строке знаками «+» обозначены вторичные измерительные приборы, которые следует применять с выбранным датчиком. В оглавлении таблицы для этих граф находим наименование измерительных приборов: милливольтметр или автоматический потенциометр.
В двенадцатой графе колонки для второго класса допуска на этой же строке находим меньшее ближайшее значение допуска по отношению к заданному. Этим значением является 29,3 °С.
В оглавлении таблицы для граф по значению допуска 29,3 °С находим соответствующий ему класс точности 1.
Примечание – На практике часто приходится измерять температуру с жёстким допуском, например (860 +10) °С. В данном случае, согласно приведенных выше расчётов, необходима термопара градуировки «5», что экономически нецелесообразно.
В подобных случаях назначают термопару градуировки «К», но при настройке (снятии показаний) измерительного прибора должна учитываться поправка на термопару, взятая из паспорта термопары, входящей в данную измерительную систему. Либо подбирают измерительной прибор с меньшим диапазоном измерений (смещают начальную точку диапазона измерений ближе к контролируемому параметру).
Таблица 10.1 – основные технические параметры контактных термометров и терморегуляторов
1* Модернизированы, условное обозначение термометров и терморегуляторов с двумя контактами следует дополнять символом «М».
2** Значения приведены для диапазона показаний
3 Термометры и терморегуляторы с диапазоном, указанным в скобках, изготовляют по заказу потребителя в другом конструкторском исполнении.
Таблица 10.2 – Технические характеристики термометров манометрических
Таблица 10.3 – Основные технические термопреобразователей сопротивления
Таблица 10.4 – Основные технические характеристики логометров
Таблица 10.5 – Основные технические характеристики термоэлектрических термометров
Таблица 10.6 – Основные характеристики пирометрических милливольтметров
Таблица 10.7 – Основные технические характеристики автоматических потенциометров.
Таблица 10.8 – Основные технические данные пирометра визуального «Проминь»
Таблица 10.9 – Основные технические данные телескопа радиационного пирометра «ТЕРА-50»
Таблица 10.10 – Технические и метрологические характеристики жидкостных термометров
Примечание – Значение предела допускаемой погрешности в скобках приведены для смачивающей жидкости.
Таблица 10.11 – Технические и метрологические характеристики жидкостных термометров
Таблица 10.12 – Технические и метрологические характеристики жидкостных термометров
