🗊Презентация Измерение температур. Основные понятия

Температура — важнейший параметр всех технологических процессов. В металлургической и химической промышленности весьма широк диапазон контролируемых температур и разнообразны условия их измерения, поэтому применяют разнообразные методы измерения и измерительные приборы. Температура тела характеризует степень нагретости, которая определяется внутренней кинетической энергией теплового движения молекул. Температуру можно определить как параметр теплового состояния.

Из определения температуры следует, что она не может быть измерена непосредственно и судить о ней можно по изменению других физических свойств тел (объема, давления, электрического сопротивления, термоЭДС, интенсивности излучения и т.д.). В зависимости от диапазона измеряемых температур различают две основные группы методов измерения:

Для обеспечения единства измерений температуры в качестве международного стандарта в 1968 году принята Международная Практическая Температурная Шкала МПТШ-68 (в настоящее время в качестве стандарта принята уточненная в 1990 году версия шкалы ITS-90), использующая в качестве опорных точек температуры изменения агрегатного состояния определенных веществ, которые могут быть воспроизведены. Для обеспечения единства измерений температуры в качестве международного стандарта в 1968 году принята Международная Практическая Температурная Шкала МПТШ-68 (в настоящее время в качестве стандарта принята уточненная в 1990 году версия шкалы ITS-90), использующая в качестве опорных точек температуры изменения агрегатного состояния определенных веществ, которые могут быть воспроизведены. В интервале между температурами основных реперных точек интерполяцию выполняют по формулам, устанавливающим связь между показаниями эталонных приборов и значениями международной практической температурной шкалы. Кроме того, стандарт определяет типы образцовых средств измерения во всем диапазоне температур. Для международной практической шкалы температур и шкалы Цельсия общей является одна постоянная точка (температура кипения воды); во всех остальных точках эти шкалы существенно различаются, особенно при высоких температурах.

Основные фиксированные точки Основные фиксированные точки МПТШ-68

Манометрический термометр состоит из термобаллона, капиллярной трубки и манометрической части. Вся система прибора (термобаллон, капиллярная трубка, манометрическая пружина) заполнена рабочим веществом. Термобаллон помещают в зону измерения температуры. При нагревании термобаллона давление рабочего вещества внутри замкнутой системы увеличивается. Увеличение давления воспринимается манометрической трубкой (пружиной), естественным выходным сигналом которой является перемещение. Манометрический термометр состоит из термобаллона, капиллярной трубки и манометрической части. Вся система прибора (термобаллон, капиллярная трубка, манометрическая пружина) заполнена рабочим веществом. Термобаллон помещают в зону измерения температуры. При нагревании термобаллона давление рабочего вещества внутри замкнутой системы увеличивается. Увеличение давления воспринимается манометрической трубкой (пружиной), естественным выходным сигналом которой является перемещение. Манометрические термометры не очень широко применяют в металлургическом производстве. С помощью этих приборов можно измерять температуру в диапазоне от −150 до +600 °С. Они просты по устройству, надежны в работе, взрыво- и пожаробезопасны. Изготовляют манометрические термометры с электрической и пневматической дистанционными передачами показаний. В этих приборах температура преобразуется в унифицированный электрический или пневматический сигнал.

В связи с тем, что при изменении температуры за счет теплового расширения изменяется объем термобаллона, а также изменяется с давлением внутренний объем манометрической пружины, объем термосистемы непостоянен. Поэтому реальное уравнение шкалы несколько отличается от линейного. Однако это отклонение незначительно и можно считать, что шкалы газовых манометрических термометров являются равномерными. В связи с тем, что при изменении температуры за счет теплового расширения изменяется объем термобаллона, а также изменяется с давлением внутренний объем манометрической пружины, объем термосистемы непостоянен. Поэтому реальное уравнение шкалы несколько отличается от линейного. Однако это отклонение незначительно и можно считать, что шкалы газовых манометрических термометров являются равномерными.

Диапазон изменения рабочего давления в термосистеме может быть увеличен путем увеличения начального давления азота в термосистеме. Это позволяет унифицировать манометрические пружины, а также уменьшает барометрическую погрешность манометрического термометра (пружинные манометры измеряют избыточное давление, и поэтому изменение барометрического давления может вызвать изменение их показаний).

Изменение температуры окружающего воздуха будет влиять на расширение рабочего вещества в капилляре и манометрической пружине, что будет вызывать изменение давления в термосистеме и соответствующее изменение показаний термометра – это температурная погрешность. Для уменьшения этого влияния стремятся уменьшить отношение внутреннего объема пружины и капилляра к объемy термобаллона. Область применения газовых термометров в металлургической промышленности – для измерения низких температур при производстве кислорода (водородный термометр может применяться до —250 °С, а гелиевый — до —267 °С).

В жидкостных манометрических термометрах система заполнена жидкостью. В жидкостных манометрических термометрах система заполнена жидкостью. В качестве рабочего вещества, заполняющего термосистему, применяют ртуть, пропиловый спирт, метаксилол другие жидкости.

Погрешности жидкостных манометрических термометров: Погрешности жидкостных манометрических термометров: погрешность, вызванная изменением барометрического давления, как правило, отсутствует, так как давление в системе значительно; погрешность, вызываемая изменением температуры окружающей среды, имеет место и в жидкостных манометрических термометрах. Для ее уменьшения применяют те же способы, что и в газовых приборах; гидростатическая погрешность возникает при различных уровнях расположения термобаллона и измерительного прибора. Для снижения возможных гидростатических погрешностей длину капилляра уменьшают до 10 м. Жидкостные манометрические термометры предназначены для измерения температуры от −150 до +300°С.

В конденсационных приборах термобаллон частично заполнен низкокипящей жидкостью, а остальное пространство термобаллона заполнено парами этой жидкости. Количество жидкости в термобаллоне должно быть таким, чтобы при максимальной температуре не вся жидкость переходила в пар. В конденсационных приборах термобаллон частично заполнен низкокипящей жидкостью, а остальное пространство термобаллона заполнено парами этой жидкости. Количество жидкости в термобаллоне должно быть таким, чтобы при максимальной температуре не вся жидкость переходила в пар. В качестве рабочей жидкости применяются фреон-22, пропилен, хлористый метил, ацетон и этилбензол. Эта зависимость давления насыщения пара от температуры имеет нелинейный вид, она однозначная, когда измеряемая температура не превышает критическую.

В связи с тем, что давление в термосистеме зависит только от измеряемой температуры, на показания термометра не будет оказывать влияние температура окружающей среды. Практически небольшая погрешность за счет механизма передачи внутри манометра будет иметь место, но сам принцип измерения обеспечивает независимость от температуры окружающей среды. В связи с тем, что давление в термосистеме зависит только от измеряемой температуры, на показания термометра не будет оказывать влияние температура окружающей среды. Практически небольшая погрешность за счет механизма передачи внутри манометра будет иметь место, но сам принцип измерения обеспечивает независимость от температуры окружающей среды. Гидростатическая погрешность в начале шкалы будет больше, а в конце − меньше. Длина капилляра для уменьшения этой погрешности не превышает 25 м. Барометрическая погрешность у конденсационных манометрических термометров может иметь место на начальном участке шкалы, когда давление в термосистеме невелико. В остальных случаях влияние давления будет пренебрежимо мало.

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУР ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ (ТЕРМОПАРЫ) В основу измерения температуры термоэлектрическими термометрами положен термоэлектрический эффект. Явление термоэлектричества было открыто немецким физиком Томасом Иоганном Зеебеком в 1821 г. и состоит в следующем:

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУР ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ (ТЕРМОПАРЫ) Термоэлектрический эффект объясняется наличием в металле свободных электронов, число которых в единице объема различно для разных металлов. Предположим, что в спае с температурой t электроны из металла А диффундируют в металл В в большем количестве, чем в обратном направлении; поэтому металл А заряжается положительно, а металл В — отрицательно. Таким образом, термоЭДС термопары возникает только из-за наличия продольного градиента температуры в проводниках, составляющих пару.

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУР ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ (ТЕРМОПАРЫ) Термо-ЭДС представляет собой сложную функцию двух переменных величин t и t0, т. е. температур обоих спаев. Поддерживая температуру одного из спаев постоянной, например, полагая t0 = const, получим еAB (tt0) = f(t). Если для данного термоэлектрического преобразователя экспериментально, т. е. путем градуировки, найдена зависимость, то измерение температуры сводится к определению термо-ЭДС термометра. Итак, измерение температуры с помощью термопар основывается на нормированных калибровочных характеристиках термопар и законах термоэлектричества, установленных опытным путем.

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУР ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ (ТЕРМОПАРЫ) К сожалению, у большинства термопар зависимость термоЭДС от температуры в некоторых диапазонах имеет нелинейный характер. Основная причина этого — зависимость коэффициента Зеебека от температуры, примерный вид которой показан на рисунке.

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУР Законы термоэлектричества 1. Закон внутренних температур Наличие температурного градиента в однородном проводнике не приводит к возникновению электрического тока. Таким образом, термоЭДС определяется только разностью температур в местах контакта различных проводников.

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУР ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ (ТЕРМОПАРЫ) 2. Закон промежуточных проводников Пусть два однородных проводника из металлов А и В образуют термоэлектрическую цепь с контактами, имеющими температуры T1 и T2. В разрыв проводника А включается проводник из металла X, и образуются два новых контакта — J1 и J2. Если температура проводника X одинакова по всей длине, то результирующая термоЭДС цепи не изменится. Этот важный закон позволяет: а) спаивать (а не сваривать) концы электродов, б) использовать удлинительные провода для подключения термопар к измерительным приборам.

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУР ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ (ТЕРМОПАРЫ) 3. Закон промежуточной температуры Если в цепи, образованной двумя термоэлектродами из разнородных металлов, индуцируется термоЭДС Е1 при температурах контактов T1 и Т2 и термоЭДС Е2 при температурах контактов Т2 и Т3, то при температурах T1 и Т3 ЭДС будет равна Е1+Е2. Это означает, что градуировочные таблицы можно использовать и при температуре опорного контакта, не равной 0 °С.

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУР ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ (ТЕРМОПАРЫ) 4. Закон аддитивности термоЭДС Если известны термоЭДС металлов А и В в паре с опорным металлом R, то термоЭДС пары А с В будет равна их сумме. Это означает, что можно создавать нестандартные комбинации термоэлектродов и по-прежнему пользоваться для них градуировочными таблицами.

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУР ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ (ТЕРМОПАРЫ) ПОПРАВКА НА ТЕМПЕРАТУРУ СВОБОДНЫХ КОНЦОВ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ Термоэлектрический преобразователь градуируют при определенной постоянной температуре t0 (обычно при t0 = 0 °С). При измерениях температура t0 может отличаться от температуры градуировки. В этом случае необходимо вносить поправку. Если t'0 > t0, то ЕАВ (tt'0) < EAB (tt0). Разность ЕАВ (tt0) − ЕАВ (t0t0') и представляет собой поправку. Следовательно, истинное значение термо-ЭДС ЕАВ (tt0) = ЕАВ (tt0') ± ЕАВ (t0't0). Знак плюс в формуле относится к случаю, когда t'0 > t0, минус − к случаю, когда t'0 < t0. Величину поправки ЕАВ(t0't0) можно получить для данной термопары из градуировочной таблицы или (при небольших значениях разности t0' — t0) по характеристической кривой.

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУР ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ (ТЕРМОПАРЫ) ТЕРМОЭЛЕКТРОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ Конструкции и материалы для изготовления термопар весьма разнообразны и определяются физическими и химическими свойствами веществ, температуру которых необходимо измерять. Различают три основных типа термопар: с открытым контактом (а); с изолированным незаземленным контактом (b); с заземленным контактом (с). Термопары с открытым контактом имеют малую коррозионную стойкость и малую постоянную времени и пригодны для измерения температуры жидкости и газа в потоке, а также твердых тел. Два других типа термопар пригодны для измерений в агрессивных средах.

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУР ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ (ТЕРМОПАРЫ) Любая пара разнородных проводников может образовать ТЭП. Однако не всякий ТЭП пригоден для практического применения, так как современная техника предъявляет к материалам термоэлектродов определенные требования: устойчивость к воздействию высоких температур; постоянство термо-ЭДС во времени; возможно большая величина термо-ЭДС и однозначная зависимость ее от температуры; небольшой температурный коэффициент электричecкoro сопротивления и большая электропроводимость; воспроизводимость термоэлектрических свойств, обеспечивающая взаимо-заменяемость термоэлектрических термометров. Всем указанным требованиям не удовлетворяет полностью ни один из известных термоэлектродных материалов, поэтому на практике приходится пользоваться различными материалами в разных пределах измеряемых температур.

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУР ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ (ТЕРМОПАРЫ)

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУР ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ (ТЕРМОПАРЫ)

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУР ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ (ТЕРМОПАРЫ)

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУР Стойкость термопар при работе в различных средах (++ − отличная, + − удовлетворительная, - − низкая)

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУР ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ (ТЕРМОПАРЫ) В качестве основных термопар металлургического производства в диапазоне 1100-1600°С являются платинородий-платиновые термопары ТПП10 и ТПР, модификация ТПП13 широко применяется на Западе. Термопары ТПП10 используются также и в качестве эталонных средств измерения температуры. По совокупности свойств платина и платинородиевые сплавы являются уникальными материалами для термопар. Их основное свойство — хорошее сопротивление газовой коррозии, особенно на воздухе при высоких температурах. Указанное свойство в сочетании с высокой температурой плавления и достаточно большой термо-ЭДС, хорошей совместимостью со многими изолирующими и защитными материалами, а также с хорошей технологичностью и воспроизводимостью метрологических свойств, делает из незаменимыми для изготовления электродов термопар, измеряющих высокие температуры в окислительных средах. Эти сплавы устойчивы в аргоне и гелии, не растворяют азота и водорода и не образуют нитридов и гидридов, не взаимодействуют с СО и СО2. Тем не менее, применять платинородий-платиновые термопары в восстановительных атмосферах не рекомендуется, т.к. в этом случае происходит загрязнение платины и платинородия элементами, восстановленными из защитной или изолирующей керамики (обычно оксидной).

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУР ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ (ТЕРМОПАРЫ) Термопары вольфрам-рениевые ТВР имеют самый высокий предел длительного применения 2200°С, но только в неокислительных средах, т.к. катастрофическое окисление и разрушение термоэлектродов происходит уже при температуре 600°С. Термопара устойчива в аргоне, гелии, сухом водороде и азоте, а также в вакууме. Основной недостаток — плохая воспроизводимость термо-ЭДС, вынуждающая группировать термоэлектродные пары по группам с номинальными статическими характеристиками А-1, А-2, А-3.

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУР ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ (ТЕРМОПАРЫ) Наиболее массовыми типами термопар в промышленности России являются термопара хромель-копель (на Западе применяется похожая термопара хромель-константан, тип Е) с температурой длительного применения до 600°С и термопара хромель-алюмель (тип К) с температурой длительного применения до 1200°С.

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУР ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ (ТЕРМОПАРЫ) Термопара ТХА имеет широкий диапазон измеряемых температур, но применять ее во всем диапазоне нецелесообразно, т.к. это ухудшает точность измерений. Термопарой, которой пользуются для точного измерения температур до 500°С, не следует измерять более высокие температуры и, наоборот, термопарой, использовавшейся при температурах выше 900°С, нельзя измерять температуры 300-600°С. При высоких температурах в термоэлектродах образуются локальные неоднородности, происходит дрейф термоЭДС.

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУР ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ (ТЕРМОПАРЫ) В термопарах ТХА наблюдаются два вида нестабильности термоЭДС: необратимая нестабильность, постепенно накапливающаяся со временем обратимая циклическая нестабильность. Первый вид нестабильности обусловлен взаимодействием термоэлектродов с окружающей средой. Дрейф термоЭДС в градусах составляет не более 1% от измеряемой температуры на уровне 1000°С за 1000-4000 часов при диаметре термоэлектродов более 1 мм. Второй вид нестабильности обусловлен протеканием в хромеле превращений по типу ближнего упорядочения магнитных ячеек структуры сплава в интервале 250-550°С. В результате этих превращений термопары ТХА в состоянии поставки после нагрева при 250-550°С увеличивают термоЭДС относительно номинальных значений. Этот рост исчезает (магнитная структура разупорядочивается) после нагрева при более высоких температурах. Вот почему фирма ABB Automation Products (ФРГ) поставляет свои термоэлектродные материалы для термопар типа К только после дополнительного “отжига на упорядочение”.

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУР ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ (ТЕРМОПАРЫ) Термопара хромель-копель обладает наибольшей дифференциальной чувствительностью из всех промышленных термопар, применяется для проведения точных измерений температуры, а также для измерения малых разностей температур. Термопарам свойственна исключительно высокая термоэлектрическая стабильность при температурах до 600°С, обусловленная тем, что изменения термо-ЭДС хромелевого и копелевого термоэлектродов направлены в одну и ту же сторону и компенсируют друг друга. Технический ресурс термопар составляет несколько десятков тысяч часов. Недостаток — высокая чувствительность к деформации.

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУР ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ (ТЕРМОПАРЫ)

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУР ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ (ТЕРМОПАРЫ) Защитные газоплотные чехлы термопреобразователей существенно расширяют диапазон применения термопар в агрессивных средах и увеличивают их ресурс. Для температур до 800°С применяются чехлы из нержавеющей стали типа Х18Н10Т или 10Х17Н13М2Т (повышенная устойчивость к межкристаллитной коррозии), при более высоких температурах использовалась, в основном, ферритная сталь 15Х25Т с температурой интенсивного окалинообразования 1050°С, которая имеет ограниченную свариваемость и склонна к охрупчиванию в диапазоне 450-850°С. В настоящее время производятся также термопары ТХА в защитных чехлах из жаростойкой аустенитной стали типа Х23Н18, с такой же жаростойкостью в сочетании с хорошей свариваемостью. Для работы при температурах выше 1000°С потребителю предлагаются термопары ТХА в чехлах из сплавов ХН78Т и ХН45Ю на никелевой и железо-никелевой основах, соответственно.

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУР Характеристики металлических чехлов термопар

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУР ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ (ТЕРМОПАРЫ) В настоящее время широкое распространение в мире, в т. ч. и в России, получили термопарные кабели, представляющие собой пару термоэлектродов помещенную внутрь металлической трубки и изолированную от нее уплотненным плавленым порошком MgO-периклазом. В России выпускают термопарный кабель двух типов КТМС-ХА и КТМС-ХК диаметров от 1 до 7.2 мм. Оболочка кабеля изготовлена из нержавеющей стали или жаростойкой стали или сплава. Термоэлектроды термопары со стороны рабочего торца сварены между собой лазерной сваркой, образуя рабочий спай внутри стальной оболочки термопарного кабеля. Рабочий торец заглушен приваренной стальной пробкой. Свободные концы термоэлектродов подключаются к клеммам головки термопреобразователя или компенсационным проводам.

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУР ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ (ТЕРМОПАРЫ) Применение кабельных термопреобразователей позволяет достичь существенных преимуществ по сравнению с термопарами традиционного исполнения, таких как: повышенные в 2-3 раза термоэлектрическая стабильность и рабочий ресурс при сравнимых рабочих условиях; возможность изгибать, укладывать в труднодоступные места, в кабельные каналы, приваривать, припаивать или просто прижимать к поверхности для измерения ее температуры, при этом монтажная длина может достигать 60-100 метров; малый показатель тепловой инерции, позволяющий применять их при регистрации быстропротекающих процессов; блочно-модульное исполнение термопреобразователей в защитных чехлах, обеспечивающее дополнительную защиту термоэлектродов от воздействия рабочей среды и возможность оперативной замены чувствительного элемента; универсальность применения в различных условиях эксплуатации, хорошая технологичность, малая материалоемкость.

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУР ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ (ТЕРМОПАРЫ) СПОСОБЫ КОМПЕНСАЦИИ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ СВОБОДНЫХ КОНЦОВ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ Правильное измерение температуры возможно лишь при постоянстве температуры свободных концов, обеспечиваемом применением соединительных проводов и специальных термостатирующих устройств. Соединительные провода в данном случае предназначены для удаления свободных концов ТЭП возможно дальше от объекта измерения, т. е. от зоны с меняющейся температурой. Как правило, термоэлектродные провода для ТЭП, изготовленных из неблагородных металлов, выполняют из тех же материалов, из которых изготовлены термоэлектроды ТЭП. Исключение составляет хромель-алюмелевый ТЭП, для которого с целью уменьшения сопротивления линии в качестве термоэлектродных проводов часто применяют медь в паре с константаном. Для платинородий-платиновых ТЭП в качестве термоэлектродных проводов используют медь в паре с медноникелевым сплавом (99,4 % Си -+- 0,6 % Ni). Эти провода при температуре до 100 °С в паре развивают такую же термо-ЭДС, которую развивает и платинородий-платиновый ТЭП.

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУР ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ (ТЕРМОПАРЫ) ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ И ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ ТЕРМОПАР В случаях, когда требуется измерить небольшую разность температур или получить большую термо-ЭДС, применяют дифференциальные ТЭП и термобатареи, представляющие собой несколько последовательно соединенных ТЭП

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУР ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ (ТЕРМОПАРЫ) Суммарная термо-ЭДС дифференциального ТЭП: еав (t1t2) = еАВ (t1) + еBC (t0' )+ еCB (t0'')+ еВА (t2) + eAC(t0'') + eCA(t0). Если t0 = t0' = t0''' = t0'', то еСА (t0) + eAC (t0''') = 0 и еBC (t0') + еCB (t0'') = 0. В результате получим: еав (t1t2) = еАВ (t1) - еВА (t2) Для соблюдения условия t0 = t'0 = t"0 = t0''' свободные концы ТЭП выводят на одну общую панель. Абсолютное значение температуры t0 не влияет на показания дифференциального ТЭП. Термоэлементы одного и того же типа соединяют в термобатареи последовательно таким образом, что в соединяют всегда разнородные термоэлементы. Термоэлектродвижущая сила термобатареи, состоящей из п элементов: Е = [еАВ (t) - eAB (t0)]n = nEAB (tt0), где EAB (tt0), — термо-ЭДС одного термоэлемента, состоящего из термоэлектродов А и В с концами, находящимися при температурах t и t0; п — число термоэлементов, соединенных последовательно.

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУР ТЕРМОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ СОПРОТИВЛЕНИЯ Измерение температуры термометрами сопротивления основано на свойстве проводников и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление при изменении их температуры. Таким образом, омическое сопротивление проводника или полупроводника представляет некоторую функцию его температуры R =f(t). Вид этой функции зависит от природы материала. Для изготовления чувствительных элементов серийных термометров сопротивления применяют чистые металлы. К металлам предъявляют следующие основные требования.

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУР ТЕРМОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ СОПРОТИВЛЕНИЯ Металл не должен окисляться и вступать в химическое взаимодействие с измеряемой средой, должен обладать высокой воспроизводимостью значений электрического сопротивления в интервале рабочих температур. Температурный коэффициент электрического сопротивления металла должен быть достаточно большим и неизменным. Этот коэффициент принято определять соотношением где R0 и R100 – сопротивление образца данного материала при температуре соответственно 0 и 100 °С. Для большинства чистых металлов α≈4∙10-3 1/°С.

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУР ТЕРМОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ СОПРОТИВЛЕНИЯ Сопротивление должно изменяться с изменением температуры по прямой или плавной кривой без резких отклонений и явлений гистерезиса. Удельное электрическое сопротивление металла должно быть достаточно большим: чем больше удельное сопротивление, тем меньше нужно металла для получения требуемого первоначального сопротивления термометра. Указанным требованиям в определенных температурных пределах наиболее полно отвечают платина, медь, никель и железо. Платина. Удельное электрическое сопротивление платины ρ = 0,1 Ом∙мм2/м, а температурный коэффициент электриче­ского сопротивления в диапазоне температур от 0 до 100 °С α≈3,9∙10-3 1/°С. Изменение сопротивления платины выражается уравнениями: в диапазоне температур от 0 до +650 °С квадратичной параболы, в диапазоне температур от —200 до 0 °С кубической параболы. Характеристики платиновых термометров сопротивления нелинейны, однако отклонение от линейной характеристики не превышает 5 % в интервале температур от 0 до 500 С и 19 % в интервале температур от −200 до 0 °С.

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУР ТЕРМОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ СОПРОТИВЛЕНИЯ Медь. К преимуществам меди следует отнести низкую стоимость, легкость получения ее в чистом виде, сравнительно высокий температурный коэффициент электрического сопротивления α≈4,26∙10-3 1/°С и линейную зависимость сопротивления от температуры Rt = R0 (1 + αt). К недостаткам меди относятся малое удельное сопротивление и легкая окисляемость при температуре выше 100 °С. Никель и железо. Эти металлы обладают сравнительно высоким температурным коэффициентом электрического сопротивления и относительно большим удельным сопротивлением. Однако этим металлам присущи и недостатки: никель и железо трудно получить в чистом виде, что усложняет изготовление взаимозаменяемых термометров сопротивления; зависимости сопротивления железа и, особенно, никеля от температуры выражаются кривыми, которые не могут быть записаны в виде простых эмпирических формул; никель и, особенно, железо, легко окисляются даже при сравнительно низких температурах. Эти недостатки ограничивают применение никеля и железа для изготовления термометров сопротивления.

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУР ТЕРМОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ СОПРОТИВЛЕНИЯ Чувствительный элемент платинового термометра отечественного производства состоит из двух соединенных последовательно платиновых спиралей 2, расположенных в каналах керамического каркаса 4. К двум верхним концам этих спиралей припаяны платиновые или иридиевородиевые (60 % родия) выводы 1, к которым приварены выводные проводники, изолированные керамическими бусами. Для крепления платиновых спиралей и выводов в керамическом каркасе используют глазурь (или термоцемент) на основе оксидов алюминия и кремния. Пространство между платиновыми спиралями и стенками каналов каркаса заполнено порошком оксида алюминия, который служит изолятором и улучшает тепловой контакт между спиралями и каркасом. Снаружи устройство заключено в металлический чехол 3.

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ ТЕРМОМЕТРОВ СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ ТЕРМОМЕТРОВ СОПРОТИВЛЕНИЯ В качестве измерительных приборов термометров сопротивления применяют: уравновешенные мосты; логометры (омметры); неуравновешенные мосты (обычно служат для полупроводниковых терморезисторов). Схема уравновешенного моста

При равновесии моста, которое достигается перемещением движка по резистору R2, сила тока в диагонали моста равна 0. В этом случае потенциалы на вершинах моста b и d равны, ток от источника питания разветвляется на две ветви, падение напряжения на резисторах R1 и R3 одинаковое, т. е. При равновесии моста, которое достигается перемещением движка по резистору R2, сила тока в диагонали моста равна 0. В этом случае потенциалы на вершинах моста b и d равны, ток от источника питания разветвляется на две ветви, падение напряжения на резисторах R1 и R3 одинаковое, т. е. R1·I1= R3·I3 здесь и далее Rt — сопротивление резистора Ri (где i = 1, 2, ...). Падение напряжения на плечах моста bc и cd также одинаковое, т. е. R2·I2=(Rt+2Rпр)·It Разделив равенства друг на друга, получим При соблюдении условия равновесия моста уравнение примет вид

В случаях, когда колебания температуры среды, окружающей соединительные провода, значительны и погрешность при измерении может превысить допустимую величину, применяют трехпроводную систему подключения, которая состоит в том, что одну из вершин моста переносят непосредственно к головке термометра. В случаях, когда колебания температуры среды, окружающей соединительные провода, значительны и погрешность при измерении может превысить допустимую величину, применяют трехпроводную систему подключения, которая состоит в том, что одну из вершин моста переносят непосредственно к головке термометра. При таком присоединении сопротивление одного провода Rnp прибавляется к сопротивлению Rt, а сопротивление второго провода — к сопротивлению R2.

Уравнение равновесия моста принимает вид Уравнение равновесия моста принимает вид При изменении сопротивления проводов в случае симметричного моста, когда R1 = R3 получим Rt + Rпр = R2 + Rпр, т. е. изменение сопротивлений соединительных проводов не влияет на результаты измерения. Как правило, к блокам УСО как отечественных, так и зарубежных микропроцессорных систем подключают только стандартизованные термометры сопротивления – платиновые и медные. Отечественные микропроцессоры допускают подключение по трехпроводной схеме (рассмотрена выше). Для модулей АЦП УСО применяют и четырехпроводную схему подключения датчиков со стабилизатором тока.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ БЕСКОНТАКТНЫМ СПОСОБОМ Принцип действия пирометров излучения основан на использовании того или иного свойства теплового излучения нагретых тел. По сравнению с приборами, основанными на других методах измерения температуры, пирометры излучения имеют следующие преимущества: измерение основано на бесконтактном способе, следовательно, отсутствует искажение температурного поля, вызванное введением преобразовательного элемента прибора в измеряемую среду; верхний предел измерения температуры теоретически не ограничен; имеется возможность измерения температур пламени и высоких температур газовых потоков при больших скоростях, когда трудно использовать другие методы. Методы пирометрии в зависимости от характера спектра излучения объекта разделяются на две основные группы: Для тел со сплошным спектром излучения. Для тел с линейчатым спектром излучения.

ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ПИРОМЕТРИИ ДЛЯ ТЕЛ СО СПЛОШНЫМ СПЕКТРОМ ИЗЛУЧЕНИЯ

Возрастание спектральной плотности излучения с повышением температуры различно для волн разных длин и в области сравнительно невысоких температур для абсолютно черного тела описывается уравнением Вина: где E0λ - спектральная плотность излучения абсолютно черного тела для волны длиной λ; Т — абсолютная температура тела, К; C1 и С2 — константы излучения, числовые значения которых зависят от принятой системы единиц. При более высоких температурах СЭЯ абсолютно черного тела описывается уравнением Планка:

Спектральное распределение энергии излучения происходит согласно закону смещения Вина: Спектральное распределение энергии излучения происходит согласно закону смещения Вина: λmax Т = b, где λmax — длина волны, соответствующая максимальному излучению при данной температуре Т; b = 2896 мкм·К — постоянная. Пользуясь законом смещения Вина, по положению максимума можно определить абсолютную температуру тела. Этот метод использован в пирометрах спектрального отношения (цветовых).

Под цветовой температурой понимают температуру абсолютно черного тела, при которой отношение энергетических яркостей при двух длинах волн λ1 и λ2 равно отношению соответствующих спектральных плотностей излучения физического тела. Согласно определению цветовой температуры должно соблюдаться равенство Используя уравнения (5.21) и (5.22) с учетом, что , можно получить соотношение между цветовой температурой Тц реального тела и его истинной температурой Т: где ελ1 и ελ2 — степень черноты физического тела для лучей с длиной волны соответственно λ1 и λ2.

Для абсолютно черных тел, у которых ελ1= ελ2 = 1, а также для реальных тел, у которых монохроматические коэффициенты черноты ελ1 и ελ2, измеренные при длинах волн λ1 и λ2, равны, цветовая температура совпадает с их истинной температурой. Для тел, у которых ελ возрастает с ростом длины волны, цветовая температура меньше истинной. Для тел, у которых ελ убывает с ростом длины волны, цветовая температура больше истинной. Интегральное излучение абсолютно черного тела описывается уравнением Стефана—Больцмана: где С0 — константа излучения абсолютно черного тела; Т — абсолютная температура излучающей поверхности, К. Условная температура реального тела, измеренная пирометром полного излучения, численно равна температуре абсолютно черного тела, при которой интегральные излучения обоих тел одинаковы.

Интегральное излучение реального тела, нагретого до температуры Т: где ε = Е/Е0 — степень черноты тела для всех длин волн. Интегральное излучение абсолютно черного тела при совпадении его температуры с Ту (условная температура, измеренная пирометром полного излучения) Е0 = С0(TУ/100)4. Сравнив правые части уравнений с учетом, что Е = Е0, получим формулу для определения действительной температуры реального тела где Ту — условная температура, измеренная пирометром полного излучения.

Если сравнить Eλ реального (серого) тела при определенной длине волны λ с E0λ абсолютно черного тела при той же длине волны, то их отношение будет выражать степень черноты тела при определенной длине волны: Абсолютно черное тело при яркостной (условной) температуре Тя и длине волны λ имеет спектральную плотность излучения E0λ. Такую же спектральную плотность при той же длине волны λ, имеет реальное тело при температуре Т, т. е. Eλ(T) = E 0λ(Tя) . Яркость реального тела, нагретого до температуры Т, при данной длине волны Яркость абсолютно черного тела, нагретого до температуры Тя:

Для вычисления истинной температуры Т физического тела по яркостной (условной) температуре Тя, измеренной квазимонохроматическим пирометром: где Тя — яркостная (условная) температура тела, измеренная пирометром, К; λ — длина волны, мкм; С2 — константа уравнения Вина; ελ — степень черноты тела для данной длины волны.

КВАЗИМОНОХРОМАТИЧЕСКИЕ ПИРОМЕТРЫ Пирометр представляет собой телескопическую трубку с линзой объектива и линзой окуляра. Внутри телескопической трубки в фокусе линзы объектива находится лампа накаливания с подковообразной нитью. Для получения монохроматического света окуляр снабжен красным светофильтром, пропускающим только лучи определенной длины волны. Предел измерения повышают введением серого светофильтра, который в одинаковой степени поглощает энергию волн всех длин. Стекло серого светофильтра выбирают такой оптической плотности, чтобы при яркостной температуре излучателя выше 1400 °С нить лампы накаливания нагревалась до яркостных температур не выше 1400 °С.

В отличие от пирометров с исчезающей нитью фотоэлектрические пирометры позволяют записывать показания и передавать их на расстояние, Эти приборы можно применять для измерения температуры при быстро протекающих процессах. Принцип действия фотоэлектрического пирометра основан на свойстве фотоэлемента изменять фототок в зависимости от интенсивности падающего на него светового потока. В фотоэлектрических пирометрах используется тот же участок спектра (средняя длина волны 0,65 мкм), что и в пирометрах с исчезающей нитью. Вследствие этого температура, показываемая фотоэлектрическим пирометром, совпадает с яркостной температурой, измеренной квазимонохроматическим пирометром.

ПИРОМЕТРЫ СПЕКТРАЛЬНОГО ОТНОШЕНИЯ (ЦВЕТОВЫЕ) Измеряемое излучение через защитное стекло 1 и объектив 2 с системой диафрагм 5 попадает на оптический фильтр 3, разделяющий поток излучения на два оптических канала с соответствующей длиной волны. Фотоприемное устройство состоит из фотоприемников 4 и датчика его температуры 6. Фотоприемник преобразует излучение в электрический сигнал. Датчик позволяет устранить влияние температуры окружающей среды на характеристики фотоприемника.

Фотоприемником может служить фотодиод из кремния, сплава индия, галлия и мышьяка либо термобатарея. Входной усилитель усиливает сигнал фотоприемника до уровня, достаточного для работы АЦП. После преобразования сигнала в цифровой код микропроцессором вычисляется температура объекта. Вносится компенсация на температуру окружающей среды. Пользователь имеет возможность корректировать степень черноты объекта измерения. Далее ЦАП преобразует полученное значение температуры в аналоговый выходной сигнал.

ПИРОМЕТРЫ ПОЛНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Пирометры полного излучения измеряют температуру по мощности излучения нагретого тела. Пирометр снабжен оптической системой, собирающей испускаемые нагретым телом лучи на каком-либо теплоприемнике. Теплоприемник обычно состоит из миниатюрной термоэлектрической батареи (из нескольких малоинерционных последовательно соединенных ТЭП), термометра сопротивления или полупроводникового терморезистора. Пирометрами полного излучения, у которых в качестве тепловоспринимающего элемента используют термометры сопротивления, можно измерять сравнительно низкие температуры, например от 20 до 100 °С.

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ТВЕРДЫХ ТЕЛ И ПОВЕРХНОСТЕЙ Если объем тела достаточно велик и возможно погружение термопреобразователя (термоэлектрического преобразователя, термометра сопротивления и т. п.) на достаточную глубину, то вполне обеспечивается тепловое равновесие между измеряемым телом и термопреобразователем. Большие трудности возникают при измерении температуры твердых тел небольшого объема, особенно если в них имеются значительные температурные перепады. Применяемые в этом случае термопреобразователи должны иметь малые размеры, чтобы обеспечить измерение температуры в данном месте. Одновременно между термопреобразователем и измеряемым твердым телом должен быть обеспечен хороший тепловой контакт.

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ Наиболее сложно измерение температуры движущихся поверхностей (к примеру, температуры внешнего металлического кожуха вращающейся печи). В этом случае при измерениях контактным способом возникают дополнительные погрешности, связанные с трением термоприемника о поверхность, температуру которой измеряют. Эти погрешности зависят от правильности контакта термоприемника, чистоты контролируемой поверхности и других факторов. При измерении температуры движущихся поверхностей термометр быстро изнашивается.

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУР ГАЗОВЫХ ПОТОКОВ И ПЛАМЕНИ Пусть температура газа не равна температуре стенки трубы (например, tг > tc), а температура защитной трубки в нижней части t > tc.

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУР ГАЗОВЫХ ПОТОКОВ И ПЛАМЕНИ Тогда количество теплоты, полученной поверхностью защитной трубки от газа в результате конвективного теплообмена в единицу времени: где α — коэффициент теплоотдачи от газа к защитной трубке термопреобразователя; sn — площадь поверхности погруженной части термопреобразователя длиной l. Количество теплоты, отдаваемой в единицу времени поверхностью защитной трубки путем лучистого теплообмена с внутренней поверхностью sc стенки трубы, может быть выражено уравнением:

Поверхность sn очень мала по сравнению с поверхностью sc, поэтому отношение sn/sc можно принять равным нулю; тогда εпр ≈ ε, а уравнение принимает вид: Разность и составляет ошибку измерения, связанную с лучистым теплообменом между термопреобразователем и стенками трубы. Анализ уравнения показывает, что ошибка измерения уменьшается с уменьшением , поэтому защитная трубка должна иметь блестящую (полированную) поверхность. Ошибка уменьшается также с увеличением α, поэтому желательно, чтобы скорость измеряемого газа вблизи термопреобразователя была максимальной.