ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ

Температура (от лат. ГетрегаШга — нормальное состояние) — физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия системы и являющаяся одним из основных параметров в инженерных системах. Она отличается рядом принципиальных особенностей, обусловивших необходимость применения разнообразных методов и технических средств для ее измерения.

Для измерения температуры были предложены различные температурные шкалы, а наибольшее распространение получила 100-градусная температурная шкала Цельсия. По этой шкале за основные (реперные) точки, ограничивающие основной температурный интервал, были приняты точка плавления льда (О °С) и точка кипения воды (100°С) при нормальном атмосферном давлении. Единица температуры, равная одной сотой части основного температурного интервала, получила название градус. По шкале Цельсия градус обозначается прибавлением к числовому значению температуры в градусах символов °С, например 94 °С. За рубежом наряду с условной температурной шкалой Цельсия используют шкалу Фаренгейта в градусах Фаренгейта -Ти шкалу Реомюра в градусах Реомюра — °Я: 1 °С = 1, 8 “Т = 0, 8 °Я.

Температурные шкалы строятся на допущении о линейной зависимости между термометрическими (физическими) свойствами тела и температурой. В действительности нет ни одного такого свойства, которое в полной мере могло бы удовлетворить этим требованиям во всем интервале измеряемых температур.

Независимой от свойств термометрического вещества является термодинамическая температурная шкала, предложенная в середине XIX в. Кельвином. В этой шкале нижней границей основного температурного интервала служит точка абсолютного нуля (0 °К), а в качестве верхней границы принята «тройная точка воды», лежащая выше точки таяния льда на 0,1 °С. Этой точке было присвоено числовое значение 273,16 °К. Тройной точкой воды называется температура равновесия между тремя фазами воды: твердой (лед), жидкой (вода) и газообразной (пары воды).

Единицей термодинамической температуры является кельвин (К) вместо прежнего наименования — градус Кельвина (°К). Единица кельвин равна 1/273,16 части интервала от абсолютного нуля температуры до температуры тройной точки воды. Теоретическая термодинамическая шкала не получила широкого практического применения из-за больших трудностей ее реализации. Более удобной оказалась международная практическая температурная шкала (МПТШ).

Согласно МПТШ и введенному в нашей стране ГОСТ 8.157—75 предусматривается применение двух температурных шкал: термодинамической температурной шкалы и практической температурной шкалы. Температура по этим шкалам выражается двояко: в кельвинах (К) и в градусах Цельсия (°С). Градус Цельсия равен кельвину (1 К = 1 °С). Между температурой Т, выраженной в кельвинах, и температурой /, выраженной в градусах Цельсия, установлено соотношение

{=Т-Т0, (2.14)

где Т0 = 273,16 К (температура тройной точки воды 273,16 К соответствует, как указывалось выше, 0,01 °С, следовательно, 273,16 К — температурный промежуток, на который смещено начало отсчета). Наименование «градус Цельсия» дано в честь шведского астронома и физика А. Цельсия. Наименование «кельвин» дано в честь английского физика Уильяма Томсона-Кельвина.

Существуют контактные и бесконтактные методы измерения температуры. В первом случае необходимо обеспечить надежный тепловой контакт чувствительного элемента прибора с объектом измерения. При отсутствии возможности такого контакта применяют различные бесконтактные методы измерения.

Средство для контактного измерения температуры называется термометром. По принципу действия термометры разделены на три группы: расширения, сопротивления и термоэлектрические.

Действие термометров расширения основано на тепловом расширении (изменении объема) термометрического вещества (жидкостные, газовые) или линейных размеров твердых тел (дилатометрические, биметаллические) в зависимости от температуры. Пределы измерения этими термометрами составляют от —190 до +600 °С.

Жидкостный стеклянный технический термометр (рис. 2.10, а) имеет заполненный жидкостью (обычно ртутью) резервуар /, тонкостенную капиллярную трубку 2, пластину 3 с нанесенной на ней шкалой, наружную стеклянную оболочку 4. Такие термометры применяются для измерения температуры от —90 до +30 °С и от —60 до +200 °С. Их изготавливают прямыми (типа П и А) и угловыми — изогнутыми под углом 90 или 135° (типа У и Б). Нижняя часть выполняется различной длины (от 66 до 2000 мм).

Для предохранения стеклянной оболочки от повреждения термометры помещают в защитные стальные оправы 5, которые, как и термометры, выполняют прямыми и угловыми. Для сигнализации и измерения температуры в лабораторных и производственных условиях применяют технические термометры — ртутные электроконтактные (типа ТПК или ТЭК). Их изготавливают

Термометры

Рис. 2.10. Термометры:

а — технический жидкостный стеклянный; б — показывающий

манометрический

с электроконтактами, впаянными к капиллярную трубку термометра. Замыкание или размыкание электрической цепи между контактами происходит вследствие расширения или сжатия ртути при нагревании или охлаждении нижней части термометра.

Принцип действия манометрических термометров (типа ТДГ, ТПГ, ТДЖ, ТПЖ, ТКП и др.) основан на изменении давления рабочего (термометрического) вещества в замкнутой герметичной термосистеме (рис. 2.10, б), состоящей из термобаллона 6, погружаемого в среду, температура которой измеряется, гибкого соединительного капилляра 7 и манометрической трубчатой пружины 8; один конец пружины впаян в держатель 9, канал которого соединяет внутреннюю полость пружины, герметизирован и шарнирно через тягу 10, зубчатый сектор 11 и шестерню 12 связан с показывающей стрелкой прибора 13.

Термосистема термометра заполнена рабочим веществом: газом, жидкостью или смесью жидкости с ее насыщенным паром. При нагревании термобаллона увеличивается давление рабочего вещества в замкнутом объеме герметичной термосистемы, вследствие чего пружина ? деформируется (раскручивается) и ее свободный конец перемещается. Движение свободного конца пружины передаточными механизмами 10, 11, 12 преобразуется в перемещение указателя относительно шкалы прибора, по которой производят отсчет температуры.

Дилатометрические и биметаллические термометры основаны на использовании свойств твердого тела изменять свои линейные размеры при изменении температуры. Действие биметаллического термометра основано на измерении разности линейных расширений при нагревании двух сваренных между собой по всей плоскости соприкосновения разнородных металлов, обладающих различными коэффициентами линейного расширения. При нагревании биметаллического элемента он изгибается в сторону металла с меньшим коэффициентом линейного расширения и при заданной температуре замыкает контакты. Биметаллические температурные реле применяются для интервала температур от —60 до +300 °С.

Дилатометрический термометр (типа ТУДЭ, РТ и др.) состоит из металлической трубки, внутри которой имеется связанный с донышком трубы стержень, причем материал стержня обладает меньшим коэффициентом линейного расширения, чем материал трубки. При измерении трубка должна быть полностью погружена в среду, температура которой измеряется. С повышением температуры среды трубка удлиняется больше, чем стержень, вследствие чего он перемещается вниз. Это перемещение стержня через систему рычагов преобразуется в перемещение стрелки относительно шкалы прибора. Пределы измерения таких термометров составляют от —150 до +700 °С.

Принцип действия термометра сопротивления (рис. 2.11) основан на зависимости электрического сопротивления чувствительного элемента от температуры. Чувствительным элементом термометра сопротивления является тонкая платиновая или медная проволока /, намотанная на каркас, заключенный в защитную арматуру 2. Концы проволоки в колпачке 4 приварены к выводам, которые соединяются с кабелем для передачи показаний. Штуцер 3 служит для монтажа термометра.

Конструкция термометров сопротивления

Рис. 2.11. Конструкция термометров сопротивления

Платиновые термометры сопротивления (ТСП) используются для измерений от —200 до +650 °С, медные термометры сопротивления (ТСМ) — для измерений от —50 до +180 °С. Наиболее благоприятные для надежной работы этих термометров верхние пределы измерения составляют: 600 °С для ТСП и 100 °С для ТСМ.

Термометры сопротивления, чувствительные элементы которых изготовлены из полупроводниковых материалов, называются термисторами или терморезисторами. Их применяют для измерения температуры от —90 до +180 °С.

Передача информации от термометров сопротивления осуществляется с помощью логометров и мостов, измеряющих изменение электрического сопротивления термометра при изменении температуры контролируемой среды. Логометры сегодня почти не применяются в связи с широким распространением автоматических электронных мостов, имеющих более высокий касс точности.

Принципиальная схема уравновешенного моста с включенным термометром сопротивления Я, изображена на рис. 2.12 { и Я3 резисторы с постоянными известными сопротивлениями, Я2 реохорд, который является регулируемым плечом моста). Сопротивление двух соединительных линий 2Ял прибавляется к сопротивлению термометра Я,. К одной из диагоналей моста (ВЭ)

диагонали АС — чувствительный измерительный прибор (нуль-прибор НП). Для равновесия моста необходимо, чтобы произведения параллельных плеч моста были равны, т. е. Я{(Я, + 2Ял) = Я2Я3. Отсюда Я, = 312- 2/?л.

Изменяя значение сопротивления Я2 путем перемещения движка реохорда, всегда можно добиться такого состояния схемы, при котором при определенном соотношении между сопротивлениями плеч моста потенциалы точек И и С, а следовательно и ток в нуль-приборе НП, равны нулю. Такое состояние обычно называют состоянием равновесия схемы.

При изменении сопротивления термометра Я, нарушается равновесие моста. Поскольку мостовая схема приходит в равновесие при равенстве произведений сопротивлений противоположных плеч, то, перемещая движок реохорда Я2, можно найти положение равновесия схемы по отсутствию отклонения стрелки нуль-прибора. Таким образом, по положению движка реохорда можно определить значение измеряемого сопротивления термометра, а следовательно, и его температуру. Следует отметить, что величина сопротивления 2Ял в общем случае может изменяться, так как сопротивление приводам зависит от колебаний температуры окружающей среды. Если возникающие при этом погрешности измерения превышают допустимые пределы, то применяют так называемую техпроводную схему подключения термометра. При этом минус источника питания с помощью дополнительного третьего привода подключается непосредственно к термометру сопротивления Я,. Кроме того, сопротивления соединительных линий Ял должны быть равны между собой. Для выполнения этого условия в цепь соединительных линий последовательно включают специальные уравнительные катушки с номинальным сопротивлением 2,5 Ом. Изменением сопротивлений этих катушек можно добиться равенства сопротивлений соединительных линий.

Описанный выше способ измерения температуры применяется в лабораторных условиях. В промышленных условиях для этих целей применяют автоматические электронные мосты типа КСМ-4 и др. (рис. 2.13), в измерительную диагональ которых вместо нуль-прибора включают электронный фазочувствительный усилитель ЭУ, а движок реохорда и каретка с указателем и пером перемещаются реверсивным электродвигателем РД, подключенным к выходу этого усилителя. Если температура среды не меняется, то сопротивление термометра Я, также не изменяется и мостовая измерительная схема находится в равновесии, т. е. разность потенциалов между точками А и С равна нулю, сигнал на ЭУ не поступает, движок реохорда неподвижен, стрелка показывает измеряемое значение температуры.

При изменении температуры изменяется сопротивление термометра Я,. Равновесие мостовой схемы нарушается, и в диагонали моста между точками А и С появляется напряжение небаланса,

Принципиальная схема автоматического электронного

Рис. 2.13. Принципиальная схема автоматического электронного

уравновешенного моста типа КСМ-4

амплитуда и фаза которого зависят от величины и направления отклонения температуры от прежнего значения точек. Это напряжение увеличивается усилителем ЭУ до значения, достаточного для приведения в действие реверсивного двигателя РД. Выходной вал РД, кинетически связанный с движком реохорда /?р и кареткой, передвигает их до тех пор, пока напряжение небаланса, уменьшаясь, не станет равным нулю. При достижении измерительным мостом состояния равновесия ротор РД останавливается, а движок реохорда и каретка с указателем и пером занимают положение, соответствующее новому значению сопротивления термометра, т. е. новому значению измеряемой температуры. Подгоночные сопротивления служат для подготовки сопротивления соединительных линий, тщательность подбора которого влияет на точность показаний прибора. Автоматические мосты выпускаются одноточечными и многоточечными на 3, 6 и 12 точек и класса точности 0,25 и 0,5 в зависимости от типа модели.

Способ измерения температуры термоэлектрическими термометрами основан на существовании определенной зависимости между термоЭДС, устанавливающейся в цепи, состоящей из разнородных проводников, и температурами мест их соединений. В цепи (рис. 2.14, а), составленной из двух различных термоэлектрически однородных по длине проводников Ли В (например, меди и платины), при подогреве спая 1 появляется электрический ток, который в спае 1 направлен от платины В к меди А, а в холодном спае 2 — от меди А к платине В. При подогреве спая 2 ток получает обратное направление. Такие токи называются термоэлектрическими. Электродвижущая сила, обусловленная неодинаковыми температурами мест соединения 1 и 2, называется термоЭДС, а создающий ее преобразователь — термоэлектрическим термометром (старое название — термопара).

Термоэлектрические цепи термоэлектрических термометров

Рис. 2.14. Термоэлектрические цепи термоэлектрических термометров:

а — цепь из двух различных однородных проводников; б — с третьим проводом, включенным в разрыв холодного спая; в — с включением в свободные концы измерительного прибора ИП

Принцип действия такого термометра состоит в том, что если проводник нагрет по длине неравномерно, то на его нагретом конце повышается концентрация свободных электронов, которые диффундируют к холодному концу. При этом горячий конец заряжается положительно, а холодный — отрицательно. Если замкнутая цепь состоит из двух различных проводников А и В, то разность термоЭДС, возникающих в каждом проводнике, зависит от температуры спаев / и /0 (/ ^ /0).

Вследствие того, что в различных металлах плотность свободных электронов неодинакова, в месте соприкосновения двух разнородных металлов, например в спае 1 (рис. 2.14, б), электроны будут диффундировать из металла А в металл с меньшей плотностью электронов В в количестве большем, чем металла В в металл А. Поэтому между металлами А и В возникает контактная разность потенциалов.

Поскольку плотность электронов в металле зависит также и от температуры спая металлов А и В, то в месте соприкосновения этих проводников при любых температурах возникает термоЭДС, значение и знак которой зависят от природы металлов А и В и температуры / места их соприкосновения.

В представленной на рис. 2.14, б замкнутой цепи из двух разнородных проводников А и В (когда t > /0) появляется термоток. Направление этого тока в спае 2 определяет знак как самого проводника, так и термоЭДС. Положительным принято называть тот термоэлектрод, от которого ток идет в спае, имеющем температуру Г0 < /, и отрицательным термоэлектродом, если ток идет в том же спае. Поскольку в рассматриваемой цепи ток в спае 2 направлен от меди А к платине В, то термоэлектрод А — термоположительный, а В — термоотрицательный. Порядок написания термоэлектрода АВ в индексе символа контактной термоЭДС сАВ указывает на направление тока в спае 2, и поэтому термоэлектрод, написанный в индексе первым, — термоположительный, а вторым, — термоотрицательный. Общая термоЭДС является функцией температур / и /0 и зависит от физической природы проводников.

На основании вышеизложенного основное уравнение термоэлектрического термометра, выражающее в общем виде зависимость суммарной термоЭДС, возникающей в цепи из двух разнородных электродов А и В, от температур мест их соединения, имеет вид

^ав(^ 'о) = ^ав(0 + ^ва(^о) (2.15)

Дв(^> 'о) ^АВ (0 ^вд(^о)’ (2.16)

т. е. термоЭДС цепи из двух разнородных проводников, места соединений которых имеют разные температуры, равна разности контактных термоЭДС. Таким образом видно, что термоЭДС термоэлектрического термометра есть функция двух температур рабочего и холодного спаев, т. е. Дав(^ 'о) /(0 /(А))-

Включение третьего проводника С в разрыв холодного спая (рис. 2.14, в) при условии, что концы этого проводника находятся при одинаковой температуре t0, не влияет на общую термоЭДС термопары. Включение третьего проводника С в разрыв одного из термоэлектродов при том же условии также не влияет на термоЭДС самой термопары.

Для измерения термоЭДС в цепь термопары необходимо включить измерительный прибор (ИП). Для этого необходимо разорвать термоэлектрическую цепь в спае 2 (см. рис. 2.14). В этом случае у термометра будет три конца: рабочий 1, погружаемый в среду, температура которой измеряется, и свободные концы 2 и 3, которые должны находиться при постоянной температуре (t0= const). Измерительный прибор можно также включать и в разрыв одного из электродов.

Конструкции термоэлектрических термометров разнообразны и зависят в основном от условий их применения. Типовая конструкция приведена на рис. 2.15. Концы термоэлектродов 10 сварены между собой и образуют горячий спай 11. По всей длине

Без крышки

Конструкция термоэлектрического термометра

Рис. 2.15. Конструкция термоэлектрического термометра

термоэлектроды изолированы друг от друга керамическими изоляторами 9. Свободные концы термоэлектродов присоединяются к контактам колодки 5. Контактные зажимы и термоэлектроды помещены в защитную арматуру 8 и герметизированы эпоксидным компаундом 7. Водозащитная головка термометра 6 закрыта крышкой 4. Сальниковый ввод головки 3 со штуцером 2 допускает использование кабеля наружным диаметром до 11 мм. Горячий спай термопары изолирован от защитной арматуры керамическим наконечником 1.

Термоэлектрические термометры градуируются при температуре свободных концов (холодного спая) /0 = О °С. Действительная температура свободных концов может быть постоянной, но отличаться от О °С. На практике температура свободных концов изменяется в зависимости от режимов работы технологических агрегатов и условий окружающей среды. Поэтому свободные концы термоэлектрического термометра стараются удалить от нагретых поверхностей и вывести в зону относительно низкой постоянной температуры. Для этого не увеличивают длину термоэлектрического термометра, а выполняют продление электродов термометра с помощью гибких удлиняющих проводов, обычно называемых термоэлектродными или компенсационными. Компенсационные провода изготавливают из более дешевых материалов, чем термоэлектроды термометров, что весьма актуально при применении термоэлектрических термометров с электродами из благородных металлов.

Принципиальная схема термоэлектрического комплекта с компенсационными проводами представлена на рис. 2.16, а, где А и В — электроды термометра; А1 и В] термоэлектродные провода; /— температура рабочего конца термометра; Г] температура мест соединения электродов термометра с компенсационными проводами; /0 — температура свободных концов термометра, т. е. в данном случае температура мест соединения термоэлектродных проводов с медными проводами; ИП — измерительный прибор.

Доказано, что если термоэлектрические характеристики термометра ЛВ и пары, составленной из компенсационных проводов АВХ, одинаковы в интервале температур от /0 = О °С до ^ = 100 °С, то при включении в цепь термоэлектрического термометра таких компенсационных проводов результат измерения не искажается. При этом температуры мест соединений термоэлектродов А и В с компенсационными проводами А1 и /?, должны быть одинаковыми, а абсолютное значение этой температуры в интервале от 0 до 100 °С значения не имеет. Принятый интервал температуры

Измерение температуры термоэлектрическим термометром

Рис. 2.16. Измерение температуры термоэлектрическим термометром:

а — схема соединений измерительного прибора с термоэлектрическим термометром компенсационными проводами; б — принципиальная схема автоматического электронного потенциометра типа КСП-4

недостаточен, так как головка термометра в эксплуатационных условиях чаще всего не нагревается выше 60—80 °С.

Таким образом, при применении компенсационных проводов свободными концами термоэлектрического термометра можно считать места соединения компенсационных проводов с медными жилами или с зажимами измерительного прибора, если компенсационные провода присоединяются к ним непосредственно. Компенсационные провода вводятся в головку термометра (см. рис. 2.15) через сальниковое уплотнение 3 со штуцером 2 и присоединяются к контактным зажимам колодки 5. Для автоматического введения поправки на изменение температуры холодных спаев применяются специальные мостовые электрические схемы.

Пределы измерения термоэлектрических термометров зависят от материала термоэлектродов. Термометры типа ТПП с плати-нородий-платиновыми термоэлектродами применяются для диапазона температур от —20 до +1300 °С (допускается до 1600 °С при кратковременных измерениях); типа ТПР с платинородий-платинородиевыми — от —50 до +1000 °С (1800 °С кратковременно); типа ТХА с хромель-алюмелевым — от —50 до 1100 °С (1300 °С кратковременно); типа ТХА с хромель-алюмелевыми — от —50 до +600 °С (800 °С кратковременно).

Для измерения термоЭДС в комплекте с термоэлектрическими термометрами в качестве вторичных приборов применяются магнитоэлектрические милливольтметры и автоматические потенциометры. Последние, получившие наибольшее распространение, применяются для непрерывного измерения, записи, сигнализации или регулирования температуры в комплекте с термометрами.

В автоматических потенциометрах используется компенсационная мостовая измерительная схема. Принципиальная схема автоматического одноточечного электронного потенциометра типа КСП-4 представлена на рис. 2.16, б. Напряжение, компенсирующее измеряемую термоЭДС термоэлектрического термометра, в этой схеме получается как разность потенциалов, возникающая в измерительной диагонали мостовой измерительной схемы Ьс1. Кроме этого, эта схема обеспечивает автоматическое введение поправки на изменение температуры холодных спаев, а также позволяет легко изменять градуировку прибора, получать шкалы потенциометров односторонние, двухсторонние и безнулевые (с подавлением нуля).

Измерительная схема автоматического потенциометра состоит из двух контуров. Первый контур источника тока включает в себя: источник постоянного стабилизированного тока ИПС; двойной реостат ЯА для регулирования величины рабочего тока /; две ветви — вспомогательную, состоящую ИЗ резисторов Ям И /?!, и рабочую, к которой присоединены: реохорд ЯР, шунт реохорда /?ш, резистор Лдля подгонки сопротивления Я к расчетному значению, а также постоянные резисторы Ян и Лпдля подгонки нижнего и верхнего пределов шкалы соответственно. По вспомогательной (нижней) ветви протекает ток /,, а по рабочей — ток /2. Во второй контур входят: термоэлектрический термометр АВ компенсационные провода АХВХ сопротивление части реохорда ЯР между точками аи с! измерительной схемы; постоянные резисторы Яи и Ям, предназначенные для автоматического введения поправки на изменение температуры свободных концов (холодного спая) термометра.

Измеряемая термоЭДС термопары ?(/,, /2) между точками Ь и б компенсируется падением напряжения на части общего сопротивления реохорда Яо6, состоящего из трех параллельно включенных сопротивлений ЯР, Яш, Я и на Ян и Ям. В этом случае по закону Кирхгофа

*(*!> 'о) = '2*06 + '2*н '2*м’ (2.17)

где 1, /0 — температуры горячего и холодного спаев термопары соответственно; /?об — часть общего сопротивления между точками а и с1, величина которого зависит от положения движка реохорда.

При соблюдении равенства (2.17) ток в контуре термометра равен нулю. При этом движок реохорда неподвижен, а стрелка прибора показывает измеряемое значение термоЭДС. При изменении температуры горячего спая в контуре термоэлектрического термометра появляется нескомпенсированный ток, который подается на преобразовательный каскад ПК, состоящий из вибрационного преобразователя ВП и входного трансформатора ВТ. В преобразовательном каскаде электрический сигнал постоянного тока преобразуется в сигнал переменного тока, который усиливается усилителем ЭУ до значения, достаточного для приведения в действие реверсивного двигателя РД. Выходной вал РД, вращаясь в направлении, зависящем от полярности поступающего сигнала, через систему кинематической передачи перемещает движок реохорда до тех пор, пока измерительная схема не придет в равновесие. Одновременно приводится в движение каретка с указателем и пером (или печатающим устройством), фиксируя новое значение измеряемой температуры. Запись показаний осуществляется в прямоугольных координатах на диаграммной бумаге, которая приводится в движение синхронным двигателем СД.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >