Параметры линейки промышленных компьютеров Rokcwell Automation 8 глава

Е_Т = f (Т_г.с. – Т_х.с.). (8.1)

На рис. 8.3 приведена схема соединения термоэлектрического термометра с измерительным прибором.

Электроды термоэлектрического термометра 3, образующие рабочий конец 2, изолированы друг от друга фарфоровыми трубками и заключены в защитный чехол 9, установленный в объекте измерения 1. Термоэлектроды соединены с компенсационными проводами 4, к которым с помощью соединительных проводов 5 подключен в точках 7 вторичный прибор 6. Компенсационные провода, выполненные из термоэлектродных материалов, соответствующих материалу термоэлектродов термометра, переносят свободные концы термометра к месту соединения их с соединительными проводами 5. Постоянная температура свободных концов поддерживается термостатирующим устройством 8. По величине термоЭДС, измеренной вторичным прибором, по справочным данным для соответствующего типа термометра по градуировочным характеристикам находят искомую температуру.

Р и с. 8.3. Схема измерения температуры пара в трубопроводе
термоэлектрическим термометром с вторичным прибором

Градуировочные характеристики термоэлектрических термометров определены, как правило, для температуры свободных концов 0°С. Если температура концов не равна 0°С, то в показания вторичного прибора следует вводить поправку к значению термоЭДС:

, (8.2)

где – термоЭДС при температуре рабочего конца и температуре свободных концов 0°С (градуировочное значение);

– термоЭДС при температуре рабочего конца и температуре свободных концов ;

– поправка к значению термоЭДС термометра для приведения его показаний к градуировочным значениям, численно равная термоЭДС, которую развивает термометр, имеющий температуру рабочего конца и свободного – 0°С.

Поверка термопар осуществляться двумя способами:

− методом сравнения показаний поверяемой термопары с показаниями образцового прибора;

− по постоянным точкам используемой температурной шкалы, температура которых определяется фазовыми переходами различных химически чистых веществ и имеет определенные числовые значения.

Технические термопары, которые используются при производственных и лабораторных измерениях, поверяются методом сравнения. В качестве эталона используются образцовые термопары 2-го разряда.

Поверка термопар стандартных градуировок заключается в определении термоэлектродвижущей силы поверяемой термопары при некоторых выбранных температурах и сравнении их со значениями термоЭДС, приведенными в градуировочных таблицах для стандартных термопар (ГОСТ 3044-77, 3044-84) при тех же температурах. При поверке термопар методом сравнения действительное значение температуры принимается по показаниям термоЭДС образцовой платинородий-платиновой термопары (типа ТПП), соединенной с лабораторным потенциометром или иным высокоточным измерительным прибором.

В качестве материала термоэлектродов термоэлектрических термометров используются чистые металлы и сплавы, которые обладают постоянством термоэлектрических свойств во времени, химически инертны, имеют высокую электропроводность, небольшой температурный коэффициент электрического сопротивления, однозначную и, по возможности, близкую к линейной зависимость термоЭДС от температуры, хорошую технологическую взаимозаменяемость и воспроизводимость.

Температурный коэффициент электрического сопротивления – это относительное изменение сопротивления проводника при изменении температуры в один градус.

В качестве материалов для изготовления термоэлектродов наибольшее распространение получили чистые металлы – медь, платина, железо и сплавы – платинородий (с содержанием родия в сплаве 10 или 13%), константан (40% никеля и 60% меди), хромель (90% никеля и 10% хрома), копель (56% меди и 44% никеля), алюмель (95% никеля и 5% алюминия, кремния, марганца) и некоторые другие многокомпонентные сплавы. Эти металлы и сплавы в комбинациях друг с другом используются для изготовления термопар следующих типов (табл. 8.1): ТПП 10/13 (платинородий – платина), ТПР (платинородий с 30% родия – платинородий с 6% родия), ТЖК (железо – константан), ТМКн (медь – константан), ТНН (нихросил – нисил), ТХА (хромель – алюмель), ТХК (хромель – копель), ТХКн (хромель – константан), ТМК (медь – копель), ТСС (сильх – силин), ТВР (вольфрамрений с 5% рения – вольфрамрений с 20% рения).

На рис. 8.4 приведены номинальные статические характеристики термоэлектрических термометров, получивших наибольшее распространение при теплотехнических измерениях.

Угол наклон характеристик к оси абсциссы характеризует чувствительность той или иной термопары к малым изменениям температуры.

Наибольшей чувствительностью обладает хромель-копелевый термометр в диапазоне температур {0÷600}°С, обеспечивая высокие значения термоЭДС.

Рассмотренные выше графики нелинейны (хотя достаточно близки к линейным) и в аналитической форме описываются полиномами 10-й степени.

Характеристики термопреобразователей, содержащих в качестве чувствительных элементов рассмотренные типы термоэлектрических термометров, приведены в ГОСТ 6616-94, ГОСТ 3044-94 и показаны в табл. 8.1. Каждому типу термометра присвоено международное литерное обозначение.

Термоэлектрические преобразователи различают по характеристикам, измерительным диапазонам и классам допуска (три класса с нормируемыми погрешностями измерения температуры в зависимости от их диапазона).

Также ГОСТ 6616-94 устанавливает ряд дополнительных требований к термоэлектрическим термометрам: диаметр термоэлектродов (0,07÷0,5 мм – для электродов из благородных металлов и 0,1÷3,2 – для электродов из неблагородных металлов), значение электрического сопротивления изоляции между чувствительным элементом и защитной арматурой, а также требования к конструкции и т.д.

 

Р и с. 8.4. Градуировочные характеристики некоторых
стандартных термоэлектрических термометров

Некоторые требования к параметрам, например таким, как показатель тепловой инерции, номинальное значение температуры применения, параметры измеряемой среды и др., устанавливаются в технических условиях для конкретного типа термометра.

В зависимости от назначения термоэлектрические термометры делятся на погружные, предназначенные для измерения температуры жидких и газообразных сред, и поверхностные, предназначенные для измерения температуры поверхности твердого тела.

По быстродействию различают: термопары малоинерционные, инерционность которых не превышает 5 °C для погружных и 10 °C для поверхностных; средней инерционности – соответственно не более 60 и 120 °C; большой инерционности – 180 и 300 °C.

Термопары помещают в защитный чехол из металла или керамики (рис. 8.5).

Р и с. 8.5. Конструкция термопары

Рабочий конец термопары расположен в закрытой части чехла. Свободные концы термоэлектродов соединены с зажимами, укрепленными в головке. К достоинствам термоэлектрических термометров необходимо отнести возможность измерений в большом диапазоне температур, простоту устройства, надежность в эксплуатации. Недостатками являются низкая чувствительность, инерционность, необходимость поддержания постоянной температуры свободных спаев.

Термоэлектрические термометры конструктивно разделяют на две группы: неизолированные, содержащие в качестве ЧЭ открытый горячий спай (используются в лабораторных измерениях температур неагрессивных газовых и твердых сред), и изолированные, или армированные, содержащие термометр в защитной арматуре – чехле.

В табл. 8.1 приведены характеристики наиболее распространенных в энергетике термоэлектрических термометров.

Таблица 8.1

Тип ТП*	НСХ	Диапазон измерения температур, °С	Класс. Предел допустимого отклонения от НСХ, °С
ТПП 13/10	RS	{0÷+1300} (1600)**	±1 от 0 до +1100°С;	±1,5 от 0 до+600°С;
±{1+0,003(t -1100)} от 1100°С	±0,0025|t| от 600 до 1600°С
ТПР	В	{600÷ +1700}		±0,0025|t| от 600 до 1700 °С	±4 от 600 до +800°С
±0,005|t| от 800 до 1700 °С
ТЖК	J	{-200÷ +750} (900)	±1,5 от -40 до +375 °С	±2,5 от-40 до+333 °С
±0,004|t| от 375 до 750 °С	±0,0075|t| от 333 до 750 °С
ТМКн	Т	{ -200÷ +350} (400)	±0,5 от-40 до+125 °С	±1 от-40 до+133 °С	±0,015|t| от-200 до-67 °С
±0,004|t| от 125 до 350 °С	±0,0075|t| от 133 до 350 "С	±1 от-67 до 40 °С
ТНН	N	{-270÷ +1200} (1300)	±1,5 от-40 до+375°С	±2,5 от -40 до +333 °С	±0,015|t| от-200 до-167 °С
±0,004|t| от 375 до 1000 °С	±0,0075|t| от 375 до 1200 °С	±2,5 от-167 до 40 °С
ТХА	К	{-200÷ +1200} (1300)	±1,5 от-40 до+375 °С	±2,5 от-40 до+333 °С	±0,015|t| от-200 до-167 °С
±0,004|t| от 375 до 1000 °С	±0,0075|t| от 333 до 1200 °С	±2,5 от-167 до+40 °С
ТХКн	Е	{-200÷ +700} (900)	±1,5 от-40 до+375 °С	±2,5 от-40 до+333 °С	±0,015|t| от-200 до-167 °С

Окончание табл. 8.1

Тип ТП*	НСХ	Диапазон измерения температур, °С	Класс. Предел допустимого отклонения от НСХ, °С
			±0,004|t| от 375 до 800 °С	±0,0075|t от 333 до 900 "С	±2,5 от-167 до + 40 °С
ТХК	L	{-200÷+600} (800)		±2,5 от-40 до+300 °С	±0,015|t| от-200до-100°С
±0,0075|t| от 300 до 800 "С	±2,5 от-100 до + 100 °С
ТМК	М	{-200 ÷+100}	±(1,3+0,001|t|) от-200 до 0°С
±1 от -0до + 100 °С
ТСС	I	{0 ÷ +800}	±1,5 от 0 до +375 °С	±2,5 от 0 до +333 °С	±2,5 от 0 до +40 °С
			±0,004|t| от 375 до 800 °С	±0,0075|t| от 333 до 800 °С
ТВР	А	{0÷ 2200} (2500)		±0,005|t| от 1000 до+2500 °С	±0,007|t| от 1000 до+2500 °С

 

* Положительный термоэлектрод указан первым.

** В круглых скобках указана предельная температура при кратковременном применении ТП.

 

При технических измерениях температур температура свободных концов термометра поддерживается постоянной и равной температуре окружающей среды. У стандартных термоэлектрических термометров свободные концы располагаются в головке термометра (рис. 8.5). При измерении высоких температур (например, температуры перегретого пара) на температуру свободных концов термометра будет оказывать влияние температура окружающей среды головки термометра, которая будет непостоянна, что создает возможность появления дополнительной погрешности измерения. Поэтому на практике для подсоединения термометра к вторичному прибору используются компенсационные провода, которые имеют термоэлектрические характеристики, аналогичные материалам электродов термометра. Компенсационные провода удлиняют свободные концы термометра и относят их в зону, где температура окружающей среды постоянна.

Поправка на температуру свободных концов термометра, отличную от 0 °С, может вводиться одним из приведённых ниже способов:

− применением термостатов с постоянной температурой, на которую вводится поправка; в случае "ледяной ванны" поправку вводить вообще не надо, но в промышленных условиях этот способ фактически нереализуем;

− измерением температуры окружающей среды, например, с помощью электрического термометра сопротивления, и введением численной поправки в полученный от термопары результат; применяется в цифровых измерительных системах, в частности в некоторых УСО;

− включением во входную измерительную цепь вторичного прибора, реализующего компенсационный метод измерения, – автоматического потенциометра, в месте подключения соединительных проводов терморезистора, сопротивление которого зависит от температуры окружающей среды;

− автоматическим добавлением компенсирующей ЭДС, зависящей от температуры.

Проблема удаленного подключения измерительного прибора и компенсации температуры свободного конца термометра решается принципиально при использовании термоэлектрического термометра с встроенным в его головку преобразователем термоЭДС в унифицированный сигнал (используется метод с терморезистором). Такие термоэлектрические преобразователи, аналогично электрическим термометрам сопротивления, имеют в своем обозначении букву У (например, ТХАУ).

При автоматизированном измерении температур энергоносителей можно использовать недорогие преобразователи типов ТХАУ, ТХКУ с унифицированным токовым выходом. Изготовителями термоэлектрических термометров являются те же предприятия, которые производят электрические термометры сопротивления.

8.1.3. Электрические термометры сопротивления

Принцип действия электрических термометров сопротивления основан на функциональной зависимости электрического сопротивления проводника, используемого в качестве чувствительного элемента, от температуры.

У металлов с ростом температуры проводника растет его электрическое сопротивление, у полупроводников – падает. Зная зависимость электрического сопротивления проводника от температуры и измеряя его величину, можно судить о температуре среды, в которую он помещен.

Металлы, из которых изготавливают чувствительные элементы термометров сопротивления, должны быть устойчивыми к окислению, к нагреванию, иметь однозначную зависимость сопротивления от температуры, высокий и постоянный температурный коэффициент электрического сопротивления, обеспечивающий высокую чувствительность при измерении температуры, близкую к линейной зависимость сопротивления проводника от температуры, обладать противокоррозионными свойствами. Наиболее полно перечисленным характеристикам отвечает платина в широком диапазоне температур, в меньшей степени – медь и никель.

Платина – дорогостоящий материал, химически инертен к окислительным средам, легко получается в чистом виде. При температуре t полное сопротивление R_t (Ом) термометра определяется зависимостями

для t ≥ 0 R_t = R₀ (1 + At + Bt² ); (8.3)

для t ≤ 0 R_t = R₀ [ 1 + At + Bt² + Ct³ (t – 100)]. (8.4)

Чистота платины характеризуется отношением сопротивления R₁₀₀ при температуре 100 °С к сопротивлению R₀ при 0 °С. Особо чистая платина имеет

R₁₀₀: R₀ = 1,3925. (8.5)

Чем больше загрязнена платина, тем меньше это отношение. Диапазон измеряемых температур – [−260 ÷ + 850 °С].

Медь получают электролитическим путем, поэтому она отличается высокой степенью чистоты. Однако при значительных температурах наблюдается интенсивное окисление даже изолированных медных проводов. Поэтому верхний предел измерения температуры составляет +180 °С при нормальных условиях и в вакууме – до +700 °С. Отношение R₁₀₀: R₀ составляет 1,426.

Технические платиновые термометры сопротивления чаще всего выполняются в виде, представленном на рис. 8.6.

Чувствительный элемент термометра сопротивления состоит из слюдяной пластинки с зубчатыми краями, на которую бифилярно намотана неизолированная платиновая проволока. Бифилярной называется намотка,при которой провод наматывается вдвое на слюдяную пластинку (рис. 8.6, в). Бифилярная намотка необходима для того, чтобы исключить появления индукционного сопротивления. Пластинку с намотанной на неё платиновой проволокой накрывают с двух сторон слюдяными пластинками таких же размеров. Три пластинки скрепляются серебряной лентой в пакет. Чувствительный элемент помещен в фарфоровую трубку (рис. 8.6, б), которая с торцов плотно закрыта пробками. Боковые каналы каркаса плотно заполнены керамическим порошком, который служит изолятором. К концам платиновой проволоки припаяны выводы из платины или иридиево-родиевого сплава. Чувствительный элемент термометра помещен в защитный чехол (рис. 8.6, а).

У малоинерционных термометров сопротивления платиновая проволока наматывается на стеклянный стержень, оплавляется стеклом и помещается во внешний защитный чехол.

а
Р и с. 8.6. Конструкция платинового термометра сопротивления (начало)

б

в

Р и с. 8.6. Конструкция платинового термометра сопротивления (окончание):
а – термометр в защитном чехле; б – чувствительный элемент термометра;
в – схема бифилярной намотки проволоки

Медные термометры сопротивления используются в диапазоне температур от 50 до 180 °С благодаря низкой стоимости.

В табл. 8.2 приводятся характеристики трех наиболее часто применяемых типов термометров сопротивления.

Таблица 8.2

Тип ТС	Ном. знач. R0, Ом, при 0 ºС	Номинальное значение W100=R0/R100, (R100,Ом, при 100 ºС)	Диапазон измерения температур, ºС	Класс допуска. Дополнительное отклонение R (в % от R0 при 0 ºС). Предел допускаемого отклонения (±) от НСХ, ºС при Т=100 ºС W100=R0/R100,	Класс допуска НСХ ТС
А	В	С	СНГ	Межд.
ТСП		1,3850-1,3910	-260 – +850	0,05 0,15+0,002t от -220 до +850	0,1 0,3+0,005t от -220 до +1100	0,2 0,6+0,008t от-220 до+1100	1П 10П 50П 100П 500П	Pt 1 Pt 10 Pt 50 Pt 100 Pt 500
ТСМ		1,4260-1,4280	-200 – +200	0,15+0,002t от -50 до +120	0,25+ +0,0035t от -200 до +200	0,5+0,0065t от -200 до +200	10М 50М 100М	Cu10 Cu 50 Cu 100
ТСН		1,6170	-60 – +180			0,24 0,3+0,0165t от-60 до 0 0,3+0,008t от-0 до +180	100Н	Ni 100

 

К недостаткам платиновых терморезисторов относится высокая загрязняемость платины парами металлов при высоких температурах.

Градуировка рабочих металлических термометров сопротивления осуществляется по двум реперным точкам: первой точкой является тройная точка воды – 0 °С и второй – точка фазового перехода между жидкой о парообразной фазой воды при нормальных условиях – 100 °С. В этих точках определяются R₀ = f(T = 0 °С) и R₁₀₀=f (T= 100 °С). По величине отношения R₁₀₀ / R₀ и отклонения R₀ от паспортного значения судят о пригодности данного термометра к дальнейшей эксплуатации. Значения R₀ и R₁₀₀ / R₀ приведены в ГОСТ 6651-94 для каждого типа термометра сопротивления.

Достоинством электрических термометров сопротивления по сравнению с термоэлектрическими термометрами является независимость погрешности измерения от величины измеряемой температуры. Погрешность измерения определяется классом точности прибора, измеряющего величину электрического сопротивления термометра.

8.1.4. Полупроводниковые и электронные
термометры сопротивления

Материалом для изготовления полупроводниковых термометров (терморезисторов) сопротивления служат смеси различных полупроводниковых веществ – смеси окиси меди и марганца, смеси окиси кобальта и марганца, смеси двуокиси титана и окислов магния. Значения электропроводности и температурного коэффициента электрического сопротивления таких термометров в значительной степени зависят от природы окислов и их соотношения в смеси.

Максимальная температура, которая может быть измерена таким термометром, не превышает 300 °С.

Недостатками полупроводниковых терморезисторов являются нелинейность зависимости сопротивления от температуры, значительный разброс номинальных значений сопротивлений различных образцов и их температурных коэффициентов электрического сопротивления.

Основными источниками погрешностей измерения температуры терморезисторами являются неточность подгонки сопротивления R₀ при температуре 0°С и отклонение отношения сопротивления R ₁₀₀ при 100 °С к сопротивлению R ₀ , нестабильность этих параметров во времени, дополнительный нагрев от прохождения рабочего тока, нестабильность сопротивления съемных проводов, подходящих от измерительной схемы к преобразователю и др.

Основное применение терморезисторы нашли в системах температурной сигнализации.

Термопреобразователи электронные выпускаются промышленностью на базе кремниевых диодов, малых интегральных схем и транзисторов. Они нашли широкое применение для измерения температур в диапазоне от −55 до +125 °С.

В основе конструкции этого типа преобразователей лежит объединение в одной микросхеме чувствительного элемента и многофункциональной схемы обработки информации чувствительного элемента. Интегральная схема имеет оперативную и постоянную память для хранения и накопления измеренных данных. Выпускаемые промышленностью преобразователи позволяют измерять температуру с дискретностью 0,5 °С и преобразовывать её значения в последовательный 9-разрядный двоичный код.

Для сбора данных с электронных термопреобразователей используется контроллер, который с определенной периодичностью осуществляет сбор данных, их накопление и передачу информации на удаленный персональный компьютер.

8.1.5. Измерение температур тел
по их тепловому излучению

Тепловое излучение представляет собой процесс распространения внутренней энергии излучаемого тела электромагнитными волнами. При поглощении электромагнитных волн от излучаемого тела другими телами электромагнитные волны вновь превращаются в тепловую энергию. Большинство тел обладает непрерывным спектром излучения.

Суммарное излучение тела по всем длинам волн и по всем направлениям полусферического пространства называют интегральным лучистым потоком Q. При отнесении этого излучения к единице поверхности тела получают плотность интегрального полусферического излучения, или излучательную способность тела

, (8.6)

где F – поверхность излучаемого тела.

Излучение, отнесённое к узкому интервалу изменений длин волн от до [ d ], называют потоком монохроматического излучения . Соответственно, плотность монохроматического полусферического излучения

. (8.7)

При отнесении монохроматического излучения E к величине интервала длин волн d получают спектральную интенсивность излучения:

. (8.8)

Одним из основных законов излучения является закон Планка, устанавливающий зависимость интенсивности излучения от температуры

, (8.9)

где – длина волны (м); T – температура тела (К); С ₁ = 0,376 10^─15 – постоянная Планка (Вт м²); С ₂ = 1,438 10^─2 – постоянная Планка (м град).

Интенсивность излучения резко меняется с изменением температуры. Для участка видимого спектра излучения уравнение Планка можно упростить и получить закон излучения Вина:

. (8.10)

Плотность интегрального полусферического излучения E определяется как суммарная энергия излучения тела по всем длинам волн:

. (8.11)

Подставляя в (811) соотношение (8.10) и интегрируя, получают формулу, которая известна под названием закон Стефана-Больцмана для лучистого теплообмена в виде

, (8.12)

где С ₀ = 5,67 (Вт м^-2 град^-4) – коэффициент излучения абсолютно черного тела.

Для измерения температур свыше 1800 °С невозможно использовать контактные методы измерения из-за температурной стойкости датчика. В этом случае используются бесконтактные методы измерения температур. Для этого применяются пирометры, действие которых основано на реализации закона Вина или закона Стефана-Больцмана, связывающих температуру тел с их тепловым излучением.

При измерении температур тел по их тепловому излучению чаще всего пользуются следующими тремя методами:

− яркостным – по спектральной интенсивности излучения телом лучей определенной длины волны (фотометрическое измерение яркости тела по );

− радиационным – по плотности интегрального излучения (излучательная способность) E;

− цветовым – по отношению спектральной интенсивности излучения телом лучей двух определенных длин волн (по соотношению : ).

Яркостный метод измерения, ограниченный только видимой областью спектра, называют также оптическим. Тепловое излучение различных тел при одинаковой температуре неодинаково, поэтому градуировку измерительного устройства производят по излучению абсолютно черного тела. При определении температур в показания измерительных устройств вводят поправки.

Яркостные измерения обладают высокой чувствительностью (при повышении температуры в 2 раза от 1000 до 2000 К интенсивность излучения волн длиной = 0,65 мк изменяется в 64 200 раз.

Пирометры, основанные на методе яркостного измерения температур, отградуированные на излучение абсолютно черного тела, при измерении действительной температуры реальных тел будут показывать более низкую, так называемую яркостную температуру тела.

⇐ Предыдущая567891011121314Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: