5.2 Измерение температуры

Температурой называют физическую величину, характеризующую степень нагретости. Практически все технологические процессы и различные свойства вещества зависят от температуры.

Измерять температуру можно только косвенным путем, основываясь на зависимости от температуры таких физических свойств тел, которые поддаются непосредственному измерению. Эти свойства тел называются термометрическими. К ним относят длину объем плотность, термоЭДС, электрическое сопротивление и т д.

5.2.1 Термоэлектрические преобразователи. Принцип действия, применяемые материалы

Термопара – старейший и до сих пор наиболее распространенный в промышленности температурный датчик. Действие термопары основано на эффекте, который впервые был открыт и описан Томасам Зеебеком в 1822 году.

Определение эффекта Зеебека – возникновение тока в замкнутой цепи из двух разнородных проводников при наличии градиента температур между спаями.

Если составить цепь из двух различных проводников (или полупроводников) А и В, соединив их между собой концами (рис. 1), причем температуру Т₂ одного места соединения сделать отличной от температуры Т₁ другого, то в цепи появится э.д.с., называемая термоэлектродвижущей силой (термо-э.д.с.) и представляющая собой разность функций температур, мест соединения проводников:

E_AB(Т₁,Т₂) = f(Т₂) ‑ f(Т₁).

Рис. 1 Явление Зеебека

Подобная цепь называется термоэлектрическим преобразователем или иначе термопарой; проводники, составляющие термо­пару, — термоэлектродами, а места их соединения — спаями.

Если один спай термопары, называемый рабочим, поместить в среду с температурой Т₂, подлежащей измерению, а температуру Т₁, других, нерабочих, спаев поддерживать постоянной, то f(Т₁) = const и

E_АВ (Т₂, Т₁) = f(Т₂) – C= f1(Т₁).

независимо от того, каким образом произведено соединение термоэлектродов (спайкой, сваркой и т. д.). Таким образом, естественной входной величиной термопары является температура Т₂ ее рабочего спая, а выходной величиной — термо-э. д. с., которую термопара развивает при строго постоянной температуре Т₁ нерабочего спая.

При небольшом перепаде температур между спаями термо-э. д. с. можно считать пропорциональной разности температур: E_AB = S_ABΔТ.

Зависимость термо‑э.д.с. от температуры в широком диапазоне температур обычно нелинейна.

Опыт показывает, что у любой пары однородных проводников подчиняющихся закону Ома, величина термо-э.д.с. зависит только от природы проводников и от температуры спаев и не зависит от распределения температур между спаями.

5.2.2 Устройство термоэлектрических термометров

Конструктивно термоэлектрический преобразователь представляет собой

две проволоки из разнородных материалов, нагреваемые концы которых скручиваются, а затем свариваются.

Н а (рис. 2) показана конструкция технического ТЭП. Арматура включает защитный чехол 1, гладкий или с неподвижным штуцером 2, и головку 3, внутри которой расположено контактное устройство 4 с зажимами для соединения термоэлектродов 5 с проводами, идущими от измерительного прибора к термометру. Термоэлектроды по всей длине изолированы друг от друга и от защитной арматуры керамическими трубками (бусами) 6.

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

В таблице 2 приведены типы термопар, диапазон измеряемых ими температур и особенности применения некоторых типов термопар.

Таблица 2

Тип термо-преобразователя	Диапазон измерения, С	Особенности применения
Термопара ХА(К) (хромель-алюмель)	-50 +1100	Обладают: — наиболее близкой к прямой характеристикой. Предназначены для ра-боты в окислительных и инертных средах
Термопара ХК(L) (хромель-копель)	-50 +800	Обладают: — наибольшей чувствительностью; — высокой термо- электрической стабильностью при температурах до 600°С. Предназначены для работы в окислительных и инертных средах. Недостаток: высокая чувстви-тельность к деформациям.
Термопара МК(Т) (медь-копель)	-50 +400
Термопара ЖК(J) (железо-копель)	-50 +700
Термопара ПП (S) (платинородий-платиновые)	0 +1600	Обладают: — хорошей устойчивостью к газовой коррозии, особенно на воздухе при высоких температурах; — высокой надежностью при работе в вакууме (но менее стабильны в нейтральных средах). Предназначены для длительной эксплуатации в окислительных средах. Недостаток: высокая чувствительность термоэлектродов к любым загрязнениям, появившимся при изготовлении, монтаже или эксплуатации термопар
Термопара ПП (R) (платинородий-платиновые)	0 +1700
Термопара ПР (B) (платинородий-платинородивые)	+300 +1800
Термопара ВР (А-1,А-2,А-3) (вольфрам-рениевые)	+300 +2500	Обладают: — возможностью длительного применения при температурах до 22О0°С в неокислительных средах; — устойчивостью в аргоне, гелии, сухом водороде и азоте. Недостаток - плохая воспроизводимость термоЭДС, вынуждающая группировать термоэлектродные пары по группам с номинальными статическими характеристиками А-1, А-2, А-3

Свободные концы термопары должны находиться при постоянной температуре, лучше всего при 0°С.

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

Однако не всегда возможно сделать термоэлектроды термопары настолько длинными и гибкими, чтобы свободные концы ее можно было разместить в достаточном удалении от рабочего спая. Кроме того, при использовании благородных металлов делать длинные термоэлектроды экономически невыгодно, поэтому приходится использовать провода из другого материала. Соединительные провода, идущие от зажимов в головке термопары до места нахождения нерабочих спаев и выполняемые из дешевых материалов, называют удлинительными термоэлектродами. Чтобы при включении удлинительных термоэлектродов из материалов, отличных от материалов основных термоэлектродов, не изменилась термо‑э.д.с. термопары, необходимо выполнить два условия. Первое — удлинительные термоэлектроды должны быть термоэлектрически идентичны с основной термопарой, т. е. иметь ту же термо ‑ э.д.с. в диапазоне возможных температур места соединения термоэлектродов в головке термопары. И второе—места присоединения удлинительных термоэлектродов к основным термоэлектродам в головке термопары должны иметь одинаковую температуру.

Основными причинами погрешностей термоэлектрических преобразователей температуры являются неоднородность материалов термоэлектродов, изменения температуры свободных концов, шунтирующее влияние сопротивления межэлектродной изоляции, временные изменения свойств термоэлектродов и т. п.

Стандартом нормируется лишь погрешность градуировки. В то же время иные ее составляющие могут оказать существенное влияние на результат изменения температуры. Особенно существенными могут оказаться погрешности, вызванные временным изменением свойств термоэлектродов, обусловленным загрязнением термоэлектродов в зоне градиента температур примесями из окружающей среды или защитных оболочек, изменением процентного соотношения между компонентами термоэлектродоп в результате испарения некоторых компонентов и т. д. Эти погрешности могут быть исключены лишь путем определения действительной функции преобразования и введения поправок.

Погрешность от изменения температуры свободных концов уменьшают путем ее термостабилизации или автоматическим введением поправок, а погрешность от шунтирующего действия сопротивления межэлектродной изоляции — подбором соответствующих изоляционных материалов.

Н оминальную статическую характеристику определяют экспериментальным путем, при температуре свободных концов термопары равной 0˚С.

Таблица 3

Тип термо-преобразователя	Класс допуска	Диапазон измерений, ˚С	Пределы допускаемых отклонений ТЭДС от номинальных статических характеристик, ±Δt
ТПП	2	0÷600	1,5
		600÷1600	0,0025t
	1	0÷1100	1,0
		1100÷1600	1,0+0,003(t-1100)
ТПР	3	600÷800	4,0
		800÷1800	0,005t
	2	600÷1800	0,0025t
ТХА ТНН	3	-250÷-167	0,015׀t׀
		-167÷+40	2,5
	2	-40÷+333	2,5
		333÷1300	0,0075׀t׀
	1	-40÷+375	1,5
		375÷1300	0,004t
ТХК	3	-200÷-100	1,5+0,01׀t׀
		-100÷+100	2,5
	2	-40÷360	2,5
		360÷800	0,7+0,005t
ТМК	3	-200÷-66	0,0151׀t׀
		-66÷40	1,0
	2	-40÷135	1,0
		135÷400	0,0075t
ТМК	1	-40÷125	0, 5
		125÷350	0,004t
ТВР	3	-200÷-100	1,5+0,01׀t׀
		-100÷+100	2,5
	2	1000÷2500	0,007t
		1000÷2500	0,005t

К показателям назначения термопар относятся:

1.диапазон измеряемых температур – интервал температур, в котором выполняется регламентируемая функция термоэлектрического преобразователя по измерению;

2.пределы допускаемых отклонений ТЭДС от номинальных статических характеристик;

3.показатель тепловой инерции - то время, необходимое для того, чтобы при внесении термопары в среду с постоянной температурой, разность температур среды и любой точки внесенной в нее термопары стала равной 0,37 того значения, которое будет в момент наступления регулярного теплового режима;

4.класс; номинальная статическая характеристика; герметичность к измеряемой среде и др.

Показатели надежности термопар:

1.наработка на отказ;

2.средний срок службы.

Показатели экономного использования сырья, материалов и энергии:

1.длина монтажной части термопары – для термопары с неподвижным штуцером или фланцем – расстояние от рабочего конца защитной арматуры до опорной плоскости штуцера или фланца; для термопары с подвижным штуцером или фланцем - расстояние от рабочего конца защитной арматуры до головки, а при ее отсутствии - до места заделки выводных проводников;

2.масса.

Показатели безопасности:

1.уровень взрывозащиты;

2.электрическое сопротивление изоляции;

3.электрическая прочность изоляции.

Приведем некоторые основные требования по установке датчиков температуры:

-Уменьшение до минимума утечки тепла по ее арматуре или подсоса холодного воздуха, т.к. потеря уплотнения приводит к снижению термо - ЭДС и, следовательно, искажению показаний;

-Рабочий конец термопары должен находиться в центре потока измеряемой среды на глубине не менее 300 мм, при измерении температур более 400 С, теплоприемник следует защитить от лучистого теплообмена экраном

В месте установки датчика, поток измеряемой среды не должен нарушаться открытием расположенной вблизи запорной и регулирующей арматуры, подсосом наружного воздуха и т.д.

На датчики не должны оказывать влияние посторонние источники тепла.

Монтаж датчика на трубопроводе как правило осуществляется с помощью бобышек приварных, имеющих резьбу (или без резьбы).

При измерениях температуры рабочих сред с высоким рабочим давлением и большой скоростью потока, в бобышку сначала должна устанавливаться гильза защитная, в которую затем помещается датчик температуры