Понятие о температуре и о температурных шкалах.
Средства измерения температуры
Лекция №7
Бесконтактные датчики положения механизмов
Наиболее распространены бесконтактные датчики положения следующих типов: индуктивные, генераторные, магнитогерконовые и фотоэлектронные. Указанные датчики не имеют механического контакта с подвижным объектом, положение которого контролируется.
Бесконтактные датчики положения обеспечивают высокое быстродействие и большую частоту включений механизма. Определенным недостатком этих датчиков является зависимость, их точности от изменения напряжения питания и температуры. В зависимости от требований выходным аппаратом этих устройств может быть как бесконтактны логический элемент, так и электрическое реле.
В схемах точной остановки электроприводов бесконтактные датчики могут использоваться как для подачи команды на переход к пониженной частоте вращения, так и для окончательной остановки.
· Термопара
· Термометр сопротивления
· Пирометр
Температурой называют величину, характеризующую тепловое состояние тела. Согласно кинетической теории температуру определяют как меру кинетической энергии поступательного движения молекул. Отсюда температурой называют условную статистическую величину, прямо пропорциональную средней кинетической энергии молекул тела.
«... мерилом температуры является не само движение, а хаотичность этого движения. Хаотичность состояния тела определяет его температурное состояние, и эта идея (которая впервые была разработана Больцманом), что определённое температурное состояние тела вовсе не определяется энергией движения, но хаотичностью этого движения, и является тем новым понятием в описании температурных явлений, которым мы должны пользоваться ...» (П. Л. Капица)
В Международной системе единиц (СИ) термодинамическая температура входит в состав семи основных единиц и выражается в кельвинах. В состав производных величин СИ, имеющих специальное название, входит температура Цельсия, измеряемая в градусах Цельсия. На практике часто применяют градусы Цельсия из-за исторической привязки к важным характеристикам воды — температуре таяния льда (0° C) и температуре кипения (100° C).
t= Т-То (7.1),
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, 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.
Следует помнить:
- 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.
Таблица 1
| Термометрическое свойство | Наименование устройства | Пределы длительного применения, 0С | |
| Нижний | Верхний | ||
| Тепловое расширение | Жидкостные стеклянные термометры | -190 | |
| Изменение давления | Манометрические термометры | -160 | |
| Изменение электрического сопротивления | Электрические термометры сопротивления | -200 | |
| Полупроводниковые термометры сопротивления | -90 | ||
| Термоэлектрические эффекты | Термоэлектрические термометры (термопары) стандартизованные | -50 | |
| Термоэлектрические термометры (термопары) специальные | |||
| Тепловое излучение | Оптические пирометры | ||
| Радиационные пирометры | |||
| Фотоэлектрические пирометры | |||
| Цветовые пирометры |
Вторичный измерительный прибор - средство измерений, преобразующее выходной сигнал термометрического преобразователя в численную величину.
В качестве вторичных измерительных приборов используют логометры, мосты, милливольтметры, автоматические потенциометры.
Методы и технические средства измерения температуры
1. Термометры расширения и термометры манометрические
Жидкостные стеклянные термометры.
Самые старые устройства для измерения температуры – жидкостные стеклянные термометры – используют термометрическое свойство теплового расширения тел. Действие термометров основано на различии коэффициентов теплового расширения термометрического вещества и оболочки, в которой она находится (термометрического стекла или реже кварца).
Жидкостный термометр состоит из стеклянного баллона, капиллярной трубки. Термометрическое вещество заполняет баллон и частично капиллярную трубку. Свободное пространство в капиллярной трубке заполняется инертным газом или может находиться под вакуумом. Выступающая за верхним делением шкалы часть капиллярной трубки служит для предохранения термометра о порчи при чрезмерном перегреве.
В качестве термометрического вещества чаще всего применяют химически чистую ртуть. Она не смачивает стекла и остается жидкой в широком интервале температур. Кроме ртути в качестве термометрического вещества в стеклянных термометрах применяются и другие жидкости, преимущественно органического происхождения. Например: метиловый и этиловый спирт, керосин, пентан, толуол, галлий, амальгама таллия.
Основные достоинства стеклянных жидкостных термометров – простота употребления и достаточно высокая точность измерения даже для термометров серийного изготовления. К недостаткам стеклянных термометров можно отнести: плохую видимость шкалы (если не применять специальной увеличительной оптики) и невозможность автоматической записи показаний, передачи показаний на расстояние и ремонта.
Стеклянные жидкостные термометры имеют весьма широкое применение и выпускаются следующих основных разновидностей:
1. технические ртутные, с вложенной шкалой, с погружаемой в измеряемую среду нижней частью, прямые и угловые;
2. лабораторные ртутные, палочные или с вложенной шкалой, погружаемые в измеряемую среду до отсчитываемой температурной отметки, прямые, небольшого наружного диаметра;
3. жидкостные термометры (не ртутные); 4. повышенной точности и образцовые ртутные термометры;
5. электроконтактные ртутные термометры с вложенной шкалой, с впаянными в капиллярную трубку контактами для разрывания (или замыкания) столбиком ртути электрической цепи;
6. специальные термометры, в том числе максимальные (медицинские и другие), минимальные, метеорологические и другого назначения.
Манометрические термометры
Действие манометрических термометров основано на использовании зависимости давления вещества при постоянном объеме от температуры. Замкнутая измерительная система манометрического термометра состоит из чувствительного элемента, воспринимающего температуру измеряемой среды, - металлического термобаллона, рабочего элемента манометра, измеряющего давление в системе, длинного соединительного металлического капилляра. При изменении температуры измеряемой среды давление в системе изменяется, в результате чего чувствительный элемент перемещает стрелку или перо по шкале манометра, отградуированного в градусах 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.
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, в цепи которой потечет ток.
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. Арматура включает защитный чехол, и головку, внутри которой расположено контактное устройство с зажимами для соединения термоэлектродов с проводами, идущими от измерительного прибора к термометру. Термоэлектроды по всей длине изолированы друг от друга и от защитной арматуры керамическими трубками.
В качестве термоэлектродов используется проволока диаметром 0.5 мм (благородные металлы) и до 3 мм (неблагородные металлы). Спай на рабочем конце термопары образуется сваркой, пайкой или скручиванием. Последний способ используется для вольфрам-рениевых и вольфрам-молибденовых термопар.
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.
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. 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.
Измерение термо-ЭДС компенсационным путем
Измерение термо-ЭДС термопары прямым путем, по силе тока в цепи постоянного сопротивления, с помощью милливольтметра, можно осуществить сравнительно просто. Однако этот метод обладает рядом недостатков, создающих дополнительные погрешности, что в большинстве случаев не позволяет получить высокой точности измерения.
В измерительной технике кроме прямых методов измерения известны компенсационные метода или методы противопоставления (сравнения) неизвестной величины величине известной. Компенсационные методы позволяют провести измерения более точно, хотя и не всегда так просто, как прямое измерение.
Основное преимущество компенсационного измерения термо-ЭДС, по сравнению с прямым, с помощью милливольтметра, состоит в том, что в момент измерения ток в цепи термопары равен 0. Это означает, что величина сопротивления внешней цепи не имеет значения: никакой подгонки сопротивления внешней цепи делать не надо и беспокоиться о влиянии температуры окружающей среды на внешнюю цепь нет необходимости.
Автоматические потенциометры
Автоматические потенциометры служат для компенсационных измерений термо-ЭДС без ручных манипуляций, свойственных неавтоматическим потенциометрам. У последних ручные манипуляции после стандартизации тока сводятся к следующей необходимости перемещать движок реохорда до тех пор, пока стрелка гальванометра не встанет на ноль. При этом перемещение движка производится во вполне определенном направлении.
Измерительная схема автоматического потенциометра в принципе не отличается от схемы не автоматического потенциометра.
Схема имеет три источника напряжения (батарея Б, нормальный элемент НЭ и термопару Т) и три цепи. Цепь батареи выполнена в виде моста: в диагональ BD включается питание, а в диагональ CA - цепь термопары. Цепь нормального элемента подключается к плечу CD компенсационной цепи. С помощью переключателя П в цепь термопары или в цепь нормального элемента включается электронный усилитель ЭУ (в том числе и вибрационный преобразователь). При включении цепи нормального элемента вводится шунтирующее сопротивление R1, параллельное электронному усилителю, так как в этом случае величина напряжения небаланса бывает много больше, чем при включении цепи термопары.
Электронные автоматические потенциометры называют иногда приборами с непрерывной балансировкой, так как измерение небаланса производится здесь с частотой переменного тока 50 Гц.
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.
Вид функции R = f(t) зависит от природы материала и может быть записан как линейное уравнение R = R0(1 + at), где a – температурный коэффициент сопротивления, t – температура.
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.
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.
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. Термометр состоит из чувствительного элемента, расположенного в защитном стальном чехле, на котором приварен штуцер. Провода, армированные фарфоровыми бусами, соединяют выводы чувствительного элемента с клеммной колодкой, находящейся в корпусе головки. Сверху головка закрыта крышкой, снизу имеется сальниковый ввод, через который осуществляется подвод монтажного кабеля. При измерении температуры сред с высоким давлением на чехол ТС устанавливается специальная защитная (монтажная) гильза.
Чувствительный элемент ТС выполнен из металлической тонкой проволоки с безиндукционной каркасной или бескаркасной намоткой. Значительно реже в металлургической практике встречаются полупроводниковые термометры сопротивления (ТСПП) для измерения температуры от -90 до +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.