Измерения температуры

     Манометрические термометры подразделяют на три основных разновидности:

1. жидкостные, в которых вся измерительная система (термобаллон, манометр и соединительный капилляр) заполнены жидкостью;
2. конденсационные, в которых термобаллон заполнен частично жидкостью с низкой температурой кипения и частично – ее насыщенными парами, а соединительный капилляр и манометр – насыщенными парами жидкости или, чаще, специальной передаточной жидкостью;
3. газовые, в которых вся измерительная система заполнена инертным газом.

     Достоинствами манометрических термометров являются сравнительная простота конструкции  и применения, возможность дистанционного измерения температуры и возможность  автоматической записи показаний. К  недостаткам манометрических термометров относятся: относительно невысокая точность измерения (класс точности 1.6; 2.5; 4.0 и реже 1.0); небольшое расстояние дистанционной передачи показаний (не более 60 метров) и трудность ремонта при разгерметизации измерительной системы.

     Манометрические термометры не имеют большого применения на тепловых электрических станциях. В промышленной теплоэнергетике они встречаются чаще, особенно в случаях, когда по условиям взрыво – или пожаробезопасности нельзя использовать электрические методы дистанционного измерения температуры.

     Поверка показаний манометрических термометров  производится теми же методами и средствами, что и стеклянных жидкостных.

 
 
     1.2. Термоэлектрические  термометры

     Для измерения температуры в металлургии  наиболее широкое распространение  получили термоэлектрические термометры, работающие в интервале температур от -200 до +2500 ⁰C и выше. Данный тип устройств характеризует высокая точность и надежность, возможность использования в системах автоматического контроля и регулирования параметра, в значительной мере определяющего ход технологического процесса в металлургических агрегатах.

      Сущность термоэлектрического  метода заключается в возникновении  ЭДС в проводнике, концы которого имеют различную температуру. Для  того, чтобы измерить возникшую ЭДС, ее сравнивают с ЭДС другого проводника, образующего с первым термоэлектрическую пару AB (рис. 3), в цепи которой потечет ток.

     Результирующая  термо-ЭДС цепи, состоящей из двух разных проводников A и B (однородных по длине), равна

или

 (1)

где и - разности потенциалов проводников A и B соответственно при температурах t₂ и t₁, мВ.

     Термо-ЭДС  данной пары зависит только от температуры  t₁ и t₂ и не зависит от размеров термоэлектродов (длины, диаметра), величин теплопроводности и удельного электросопротивления.

     Для увеличения чувствительности термоэлектрического  метода измерения температуры в  ряде случаев применяют термобатарею: несколько последовательно включенных термопар, рабочие концы которых находятся при температуре t₂, свободные при известной и постоянной температуре t₁.

      Устройство  термоэлектрических термометров

      Термоэлектрический  термометр (ТТ) – это измерительный  преобразователь, чувствительный элемент  которого (термопара) расположен в специальной защитной арматуре, обеспечивающий защиту термоэлектродов от механических повреждений и воздействия измеряемой среды. На (рис. 4) показана конструкция технического ТТ. Арматура включает защитный чехол 1, гладкий или с неподвижным штуцером 2, и головку 3, внутри которой расположено контактное устройство 4 с зажимами для соединения термоэлектродов 5 с проводами, идущими от измерительного прибора к термометру. Термоэлектроды по всей длине изолированы друг от друга и от защитной арматуры керамическими трубками (бусами) 6.

     Защитные  чехлы выполняются из газонепроницаемых  материалов, выдерживающих высокие  температуры и агрессивное воздействие  среды. При температурах до 1000⁰С применяют металлические чехлы из углеродистой или нержавеющей стали, при более высоких температурах – керамические: фарфоровые, карбофраксовые, алундовые, из диборида циркония и т. п.

     В качестве термоэлектродов используется проволока диаметром 0.5 мм (благородные  металлы) и до 3 мм (неблагородные  металлы). Спай на рабочем конце 7 термопары образуется сваркой, пайкой или скручиванием. Последний способ используется для вольфрам-рениевых и вольфрам-молибденовых термопар.

     Термоэлектрические  термометры выпускаются двух типов: погружаемые, поверхностные. Промышленность изготавливает устройства различных модификаций, отличающихся по назначению и условиям эксплуатации, по материалу защитного чехла, по способу установки термометра в точке измерения, по герметичности и защищенности от действия измеряемой среды, по устойчивости к механическим воздействиям, по степени тепловой инерционности и т. п.

      Стандартные и нестандартные  термоэлектрические термометры

     Для измерения в металлургии наиболее широко применяются ТТ со стандартной  градуировкой: платинородий-платиновые (ТПП), платинородий-платинородиевые (ТПР), хромель-алюмелевые (ТХА), хромель-капелевые (ТХК), вольфрамрений-вольфрамрениевые (ТВР). В ряде случаев используют также ТТ с нестандартной градуировкой: медь-константановые, вольфрам-молибденовые (ТВР) и др. На (рис. 5) приведены градуировочные кривые ряда термопар.

      В условиях длительной эксплуатации при высоких температурах и агрессивном воздействии сред появляется нестабильность градуировочной характеристики, которая является следствием ряда причин: загрязнения материалов термоэлектродов примесями из защитных чехлов, керамических изоляторов и атмосферы печи; испарения одного из компонентов сплава; взаимной диффузии через спай. Величина отклонения может быть значительной и резко увеличивается с ростом температуры и длительностью эксплуатации. Указанные обстоятельства необходимо учитывать при оценке точности измерения температуры в производственных условиях.

      Поверка технических ТТ

     Поверка ТТ сводится к определению температурной  зависимости термо-ЭДС и сравнению  полученной градуировки со стандартными значениями.

     Градуировка производится двумя методами: по постоянным точкам или сличениям.

     Градуировка по постоянным (реперным) точкам является наиболее точной и применяется для  образцовых термопар. Поверяемую термопару  помещают в тигель с металлом высокой чистоты, установленной в печи, и регистрируют площадку на кривой изменения термо-ЭДС по мере повышения или понижения температуры металла. Данная площадка соответствует температуре плавления или кристаллизации металла, причем более предпочтительно вести градуировку по точке кристаллизации. В качестве реперных металлов используют золото, палладий, платину и др.

      Методом сличения проводится градуировка образцовых термопар второго разряда и технических  ТТ. Он заключается в непосредственном измерении термо-ЭДС градуируемой термопары при постоянной температуре свободных концов t₀=0 ⁰C и различных температурах t₂ рабочего спая, причем последняя определяется с помощью образцового термометра (термопары, пирометра излучения). На (рис. 6) приведена схема установки для градуировки ТТ методом сличения с образцовой термопарой. Металлический блок служит для обеспечения равенства температур рабочих спаев образцовой и поверяемой термопар. Измерения термо-ЭДС производят с помощью переносного потенциометра с точностью измерения (отсчета) не хуже 0.1 мВ. Отсчет проводится после 10 минут выдержки при данной температуре.

 
 
     1.3. Электрические термометры  сопротивления

     В металлургической практике для измерения  температур до 650⁰С применяются термометры сопротивления (ТС), принцип действия которых основан на использовании зависимости электрического сопротивления вещества от температуры. Зная данную зависимость, по изменению величины сопротивления термометра судят о температуре среды, в которую он погружен. Выходным параметром устройства является электрическая величина, которая может быть измерена с весьма высокой точностью (до 0.02⁰С), передана на большие расстояния и непосредственно использована в системах автоматического контроля и регулирования.

     В качестве материалов для изготовления чувствительных элементов ТС используются чистые металлы: платина, медь, никель, железо и полупроводники.

     Изменение электросопротивления данного материала  при изменении температуры характеризуется  температурным коэффициентом сопротивления , который вычисляется по формуле

, (1)

где t – температура материала, ⁰С;

R₀ и R_t – электросопротивление соответственно при 0 ⁰С и температуре t, Ом.

     Сопротивление полупроводников с увеличением  температуры резко уменьшается, т. е. они имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления практически на порядок больше, чем у металлов. Полупроводниковые термометры сопротивления (ТСПП) в основном применяются для измерения низких температур (1.5 ¸ 400 К).

     Достоинствами ТСПП являются небольшие габариты, малая инерционность, высокий коэффициент . Однако они имеют и существенные недостатки:

1. нелинейный характер зависимости сопротивления от температуры;
2. отсутствие воспроизводимости состава и градуировочной характеристики, что исключает взаимозаменяемость отдельных ТС данного типа. Это приводит к выпуску ТСПП с индивидуальной градуировкой.

      Типы  и конструкции  ТС

     Для решения различных задач ТС делятся  на эталонные, образцовые и рабочие, которые в свою очередь подразделяются на лабораторные и технические.

     Эталонные ТС предназначены для воспроизведения  и передачи шкалы МПТШ в интервале 13.81 ¸ 903.89 К.

      Технические ТС в зависимости от назначения и  конструкции делятся на: погружаемые, поверхностные и комнатные; защищенные и не защищенные от действия агрессивной среды; стационарные и переносные; термометры 1-го, 2-го и 3-го классов точности и т. д. На (рис. 7) представлены конструкции промышленных ТС с неподвижным (а) и подвижным (б) штуцерами. Термометр состоит из чувствительного элемента 1, расположенного в защитном стальном чехле 3, на котором приварен штуцер 2 с резьбой М27х2. Провода 4, армированные фарфоровыми бусами 6, соединяют выводы чувствительного элемента с клеммной колодкой 5, находящейся в корпусе головки 7. Сверху головка закрыта крышкой 8, снизу имеется сальниковый ввод 9, через который осуществляется подвод монтажного кабеля 10. При измерении температуры сред с высоким давлением на чехол ТС устанавливается специальная защитная (монтажная) гильза 12.

      Чувствительный  элемент ТС выполнен из металлической  тонкой проволоки с безындукционной  каркасной или бескаркасной намоткой.

     Значительно реже в металлургической практике встречаются  полупроводниковые термометры сопротивления (ТСПП) для измерения температуры (-90)¸(+180) ⁰С. Их применяют в термореле, низкотемпературных регуляторах, обеспечивающих высокоточную стабилизацию чувствительных элементов газоанализаторов, хроматографов, корпусов пирометров, электродов термоэлектрических установок для экспресс-анализа состава металла и т. п.

      Мостовые  схемы измерения  сопротивления термометров

     Для измерения сопротивления используют четырехплечие уравновешенные (ручные или автоматические) и неуравновешенные мосты.

      Уравновешенный  мост

     Уравновешенный  мост, принципиальная схема которого приведена на (рис. 8а), используется для определения величины сопротивления при градуировке ТС и при измерениях температуры в лабораторных условиях.

     Нулевой метод измерения характеризуется  высокой точностью, так как исключается  влияние окружающей температуры, магнитных полей и изменения напряжения батареи питания Б. Однако значительная погрешность может возникать при изменении сопротивления соединительных проводов R_л, что вызывается значительными сезонными и суточными колебаниями температуры в местах прохождения кабеля, соединяющего ТС и измерительный мост.