2.4. Средства измерения температуры

Температура – величина, прямо пропорциональная средней кинетической энергии вещества (молекул или атомов).Температура характеризует степень нагрева тела.

Для количественного определения температуры вводится понятие температурная шкала – ряд отметок внутри температурного интервала, ограниченного двумя легко воспроизводимыми постоянными (основными реперными или опорными) точками кипения и плавления химически чистых веществ.

,

где и – постоянные легко воспроизводимые температуры

– целое число, на которое разбивается температурный интервал

Приняв за постоянные точки температуры кипения воды и таяния льда, были основаны шкалы Фаренгейта, Реомюра и Цельсия.

В 1848 году английский ученый Кельвин предложил термодинамическую температурную шкалу, основанную на втором законе термодинамики:

,

где и – температуры холодильника и нагревателя

и – количество тепла, полученное от нагревателя и отданное холодильнику при К и К.

Единицей температуры термодинамической температурной шкалы является кельвин (К), единицей температуры по практическим температурным шкалам являются также кельвин (К) и градус Цельсия (ºС).

Температура по термодинамической шкале (Т) связана с международной (t) соотношением:

Измерить температуру непосредственно нельзя, ее значение можно определить только по другим параметрам, которые изменяются в зависимости от изменения температуры. Это объем, длина, сопротивление, ЭДС, энергетическая яркость излучения.

Приборы, преобразующие температуру в показания или сигнал называются термометрами.

В промышленной термометрии применяются два основных метода измерения температуры:

КОНТАКТНЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

БЕСКОНТАКТНЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

При измерении контактным методом чувствительный элемент термометра находится в непосредственном контакте (соприкосновении) с измеряемой средой.

К этой группе относятся:

ТЕРМОМЕТРЫ РАСШИРЕНИЯ

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ

ТЕРМОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ (ТЕРМОМЕТРЫ) СОПРОТИВЛЕНИЯ

Термометры расширения основаны на изменении объема при изменении температуры и подразделяются на:

ЖИДКОСТНЫЕ ТЕРМОМЕТРЫ РАСШИРЕНИЯ

ДИЛАТОМЕТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ РАСШИРЕНИЯ

МАНОМЕТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ РАСШИРЕНИЯ

Термометры жидкостные стеклянные. Принцип их действия основан на различии коэффициентов объемного расширения материала оболочки (термометрические сорта стекла с малым коэффициентом расширения) и жидкости, заключенной в ней (ртуть, этиловый спирт, толуол, эфир и др.).

Жидкостные стеклянные термометры изготавливаются в широком ассортименте: технические, лабораторные, медицинские, сельскохозяйственные, гидрометеорологические и другие.

Интервал измеряемых температур составляет от -100 до 650 °С.

Цена деления шкалы от 0,01 до 10 °С определяется диапазоном измерений, видом применяемой жидкости и назначением.

Термометры рассчитаны либо на полное (до считываемой температуры), либо на частичное погружение в измеряемую среду, на последних имеется отметка глубины погружения.

Для автоклавов пищевой промышленности выпускаются термометры типа СП-36. Нижняя часть его изогнута под углом 105°. Пределы измерения 0 150 °С. Погрешность 2 °С. Наполнитель толуол, окрашенный в красный цвет.

Для защиты технических термометров выпускаются специальные оправы металлические. Они состоят из чехла для верхней части термометра с вырезным окном для шкалы, кармана для нижней части (прямой или угловой), колена (для угловых).

В целях сигнализациии и регулирования температуры ранее в хлебопечении использовались электроконтактные термометры с постоянно впаянными или с одним подвижным контактом. В настоящее время в пищевой промышленности применение ртутных термометров запрещено!

ДИЛАТОМЕТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ РАСШИРЕНИЯ:

Рис. 2.5. Стержневой дилатометрический термометр

Принцип действия стержневого дилатометрического термометра основан на разности удлинения трубки 1 и стержня 2 при изменении температуры. Т

Рис. 2.1.1

рубка изготавливается из материала с малым коэффициентом линейного расширения (кварц, инвар), а стержень – с большим (латунь, медь, алюминий, сталь). В процессе измерения трубка полностью погружена в контролируемую среду. Движение стержня передается стрелке прибора с помощью передачи 3.

На рисунке 2.6 представлен внешний вид устройства терморегулирующего дилатометрического электрического типа ТУДЭ. Эти устройства предназначены для регулирования температуры жидких и газообразных сред в системах автоматического контроля и регулирования. Чувствительный элемент устройств монтируется в защитном кожухе, изготовленном из материала, стойкого в регулируемой среде. Устройства изготавливаются с размыкающими Р или замыкающими З контактами. Основная допустимая погрешность срабатывания от 1,5 до 4,0 %.

Рис. 2.6. Устройство терморегулирующее дилатометрическое электрическое типа ТУДЭ

Рис. 2.7. Биметаллический термометр

Чувствительный элемент биметаллического термометра (рис. 2.7,2.8)представляет собой две металлические ленты 1, соединенные между собой. При этом один из металлов имеет высокий коэффициент температурного расширения, другой – низкий. При деформации чувствительного элемента перемещение его конечной части передается стрелке 3 через рычажную систему на шкалу 2. Эти термометры используются в холодильных установках, для измерений температуры в помещениях. Класс точности приборов 2,0. Диапазон измерений –200700 °С.

Рис. 2.8. Биметаллический термометр, закреплённый на корпусе расстойного шкафа ШР-1.

МАНОМЕТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ РАСШИРЕНИЯ :

Принцип действия манометрических термометров (рис. 2.9) основан на использовании зависимости величины давления вещества при постоянном объеме от температуры.

В зависимости от применяемого вещества они подразделяются на жидкостные, газовые и конденсационные.

Термобаллон манометрического термометра обычно изготавливают из нержавеющей стали, а капилляр – из медной или стальной трубки с внутренним диаметром от 0,15 до 0.5 мм. В зависимости от условий применения прибора длина капиллярной трубки может быть различной (до 60 м).

Манометрические термометры просты в эксплуатации, взрыво- и пожаробезопасны.

Рис. 2.9. Устройство манометрического термометра:

- манометрическая часть состоит из одновитковой пружины (1), представляющей собой трубку с плоскоовальным или эллиптическим сечением, согнутую по дуге окружности на 180-270° (один конец трубчатой пружины жестко соединен с держателем, укрепленным в корпусе прибора, свободный конец пружины закрыт пробкой и запаян) и передаточного механизма, состоящего из зубчатой шестерни (2), на оси которой закреплена стрелка, поводка (3), зубчатого сектора (4) сцепленного с шестерней. Манометрическая часть заключена в специальном корпусе

- капиллярная трубка (5), защищенная металлическим рукавом

- термобаллон (6), заполненный рабочим веществом (газом: азотом, аргоном или гелием – газовые термометры; жидкостью: полиметилксилоксановые жидкости – жидкостные термометры; фреоном, метилхлоридом, ацетоном – конденсационные термометры).

При нагревании термобаллона в замкнутом объеме возрастает давление рабочего вещества. Под действием давления трубчатая пружина несколько распрямляется, свободный ее конец перемещается и тянет за собой поводок, который через передаточный механизм вызывает перемещение стрелки по шкале прибора. Раскручивание трубчатой пружины обусловлено тем, что при увеличении давления ее эллиптическое или плоскоовальное сечение стремиться перейти в круглое. В пружине возникают внутренние напряжения, приводящие к ее раскручиванию и перемещению свободного конца. В манометрических термометрах применяют также многовитковые (с числом витков от 6 до 9) и спиральные трубчатые пружины.

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ :

Принцип действия термоэлектрических термометров (рис.2.10, 2.11) основан на свойстве металлов, сплавов и некоторых неметаллических материалов создавать термоэлектродвижущую силу (ТЭДС) при нагревании места соединения (спая) двух разнородных проводников или полупроводников.

Простейшая термоэлектрическая цепь из двух разнородных электропроводов, концы которых соединены, называются термопарой. Обычно она помещается в чехол, и вся конструкция образует термоэлектрический термометр.

К материалам, применяемым для изготовления термопар, предъявляются определенные требования:

• устойчивость к воздействию высоких температур,

• постоянство ТЭДС,

• большая электропроводность,

• воспроизводимость термоэлектрических свойств, что обеспечивает взаимозаменяемость,

• небольшой температурный коэффициент сопротивления и др.

• 

Рис. 2.10. Устройство термоэлектрического термометра:

1 — головка; 2 — заливка; 3 — элементы крепления термопреобразователя;

4 — защитная арматура; 5 — трубка; 6 — электроды; 7 — керамический наконечник; 8 — рабочий спай; 9 — сборка; 10 — герметизированный ввод; 11 — удлиняющие провода; 12 — зажимы; L — монтажная часть.

Электроды (6) термопреобразователей ТХК и ТХА общепромышленного назначения обычно выполняются из проволоки диаметром, обеспечивающим пренебрежимо малое сопротивление термопары и достаточную механическую прочность. Рабочий спай (8) обычно выполняется сваркой. Для изоляции термоэлектродов используют кварцевые (до 1000 °С) или фарфоровые (до 1400 °С) трубки или бусы. При более высоких температурах применяются оксиды металлов: алюминия, магния, бериллия и т.п. На приведенном рисунке в качестве изолятора изображена трубка (5), представляющая стержень с двумя продольными отверстиями, в которые пропущены электроды. Рабочий спай может быть защищен керамическим наконечником (7). Материалом защитной арматуры (4) обычно является нержавеющая сталь (до 900 °С), при высоких температурах используются специальные сплавы. Арматура заканчивается головкой (1), в которой расположена сборка (9) с зажимами (12), к которым подведены электроды термопары и через герметизированный ввод (10) — термоэлектродные удлиняющие провода (11). Внутренняя полость защитной арматуры может быть герметизирована заливкой (2) в верхней части. На наружной поверхности арматуры могут располагаться элементы (3) (например, штуцера) для крепления защитной арматуры к объекту. Защитная арматура может не иметь штуцера, либо штуцер может быть подвижным (при невысоких давлениях контролируемой среды). Длина монтажной части L различных модификаций составляет (0,08...2,5) м, диаметр рабочей части (5...25) мм.

Рис. 2.11. Термоэлектрический термометр, состоящий из термоэлектрического преобразователя температуры (термопары) и измерительного прибора.

В настоящее время применяются следующие стандартные термоэлектрические термометры:

• медь-копелевые и медь-медно-никелевые – типа Т (-200400 °С)

• железо-медно-никелевые J (-200700 °С)

• хром-копелевые L(ХК) (-50600 °С)

• никель-хром-медно-никелевые Е

• никель-хром-никель-алюминиевые К (ХА) (хромель-алюмелевые)

• платинородий-платиновые S (01800 °С), +10% родия и 50% платины

• чистая платина

• платинородий-платинородиевые термоэлектрические термометры В (ПР) (300-1600 °C), + сплав 30 % родия и 70 % платины – 6 % родия и 94 % платины.

Термопары могут комплектоваться специальными измерительными преобразователями, с помощью которых на выходе можно иметь стандартный унифицированный сигнал, передаваемый на ЭВМ. Такими стандартными сигналами являются токовые 0-5, 0-20, 4-20 мА и вольтовые 0-5, 0-10 В.

Для измерения термоЭДС в комплектах термоэлектрических термометров применяют милливольтметры, потенциометры и микропроцессорные приборы.

Достоинства термоэлектрических термометров: широкий температурный диапазон; простота производства; низкая стоимость; износоустойчивость; не требуется дополнительных источников энергии.

Недостатки: нелинейная характеристика первичного измерительного преобразователя; относительно низкая стабильность; низкая чувствительность; измерение низких ЭДС может осложниться электро-магнитными шумами и наводками; необходима компенсация холодных спаев.

ТЕРМОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ (ТЕРМОМЕТРЫ) СОПРОТИВЛЕНИЯ:

У термопреобразователей (термометров) сопротивления (рис. 2.12, 2.13) величина сопротивления связана с температурой и измерение основано на зависимости электрического сопротивления (R) проводников и полупроводников от изменения температуры (t):

По сравнению с манометрическими термометрами, термопреобразователи сопротивления имеют ряд преимуществ:

- меньшую инерционность,

- большую точность измерений,

- возможность передачи сигнала на большее расстояние,

- подключение с помощью коммутатора к одному вторичному прибору нескольких термопреобразователей сопротивления.

Однако термометры сопротивления требуют постоянного источника тока.

Платиновые термометры сопротивления предназначены для диапазона температур -200600 °С, медные -50250 °С.

Длина чувствительного элемента платинового термометра 30-120 мм, медного – около 60 мм.

Чувствительные элементы платиновых термометров сопротивления (ТСП) изготовляются из проволоки диаметром 0,04-0,07 мм и длиной 2 м, намотанной на слюдяную пластинку. Выводы выполняются из серебряной проволоки. Чувствительней элемент помещается сначала в алюминиевую трубку, а затем – в защитную со штуцером.

Для исключения влияния вибрации чувствительный элемент герметизируется в стекле.

Чувствительные элементы медных термометров сопротивления (ТСМ) изготовляются из эмалированной проволоки диаметром 0,1 мм, многослойно намотанной на пластмассовый цилиндрический стержень длиной 40 мм и диаметром 1,0-З,0 мм.

Для защиты чувствительного элемента используется стальная трубка. Недостатки меди: окисляемость при температуре выше 100°С, малое удельное сопротивление.

Рис. 2.12. Промышленный термометр сопротивления.

Основными элементами промышленного термометра сопротивления являются корпус (тело) 5 и головка 2. Тело на монтажную длину L помещается в контролируемый объект (40-3150 мм). В теле находится чувствительный элемент 4, который соединительными проводами, изолированными фарфоровыми бусинами 6 соединен с клеммами 1, находящимися в головке. Штуцер 3 служит для крепления термометра на объекте. С измерительным прибором термометр соединяют с помощью клемм через сальниковое уплотнение 7.

Рис. 2.13. Внешний вид платинового термометра сопротивления.

Полупроводниковые термометры сопротивления применяют, главным образом, в приборах позиционного регулирования температуры.

Выходной сигнал термопреобразователя сопротивления может подаваться на различные устройства, например, регистрирующие приборы, регуляторы, преобразователи.

В качестве измерительных приборов, применяемых в комплекте с термопреобразователями сопротивления используются уравновешенные мосты, логометры, неуравновешенные мосты и микропроцессорные приборы.

Достоинства термометров сопротивления: хорошая линейность характеристики; высокая стабильность; высокая взаимозаменяемость в широком диапазоне температур.

Недостатки: низкая чувствительность; относительно большая инерционность; необходимость трех- или четырех-проводной схемы включения; чувствительность к ударам и вибрациям; необходим источник тока; высокая стоимость

Помимо термометров сопротивления в пищевой промышленности в настоящее время нашли широкое применение полупроводниковые измерители температуры, которые также называют термисторами (рис.2.14). Существенным их преимуществом является большой температурный коэффициент К^-1, что позволяет изготовлять их небольших размеров. Диапазон измерения для этого типа приборов составляет -60180°С. Температурный коэффициент отрицателен, т.е. с повышением температуры их сопротивление падает.

Для изготовления термисторов применяют окислы титана, кобальта, магния, марганца и других металлов.

Недостатками полупроводниковых термопреобразователей сопротивления являются нелинейность зависимости Rt = f(t) и её большая зависимость от состава смеси материала, что затрудняет взаимозаменяемость. Термисторы применяются, главным образом, в приборах позиционного регулирования температуры.

Рис. 2.14. Внешний вид термистора.

При обозначении термисторов зарубежного производства применяют сокращения: NTC — Negative Temperature Coefficient — отрицательный ТКС (температурный коэффициент сопротивления), РТС — Positive Temperature Coefficient — положительный ТКС.

NTC термисторы в диапазоне температур 25...100 °С изменяют свое сопротивление от нескольких сот или тысяч Ом до нескольких десятков или сот Ом, то есть с повышением температуры их сопротивление снижается. РТС термисторы в диапазоне температур 0...75 °С сохраняют сопротивление примерно на уровне 100 Ом. Однако, начиная с температуры 80°С, оно начинает быстро расти до значений порядка 10 кОм при 120°С. Такие свойства термисторов обусловили их широкое применение в устройствах термостабилизации, автоматики, защиты от перегрузок и пожарной сигнализации.

Интеллектуальные датчики температуры (рис. 2.15) конструктивно разработаны на основе термопреобразователя сопротивления или термопары. Микропроцессорное устройство, встроенное в датчик позволяет обрабатывать большие объемы информации с высокой скоростью. Такой датчик способен самостоятельно подстраиваться под условия эксплуатации и непрерывно регулировать свою работу, обрабатывать данные не только выходного сигнала от термопреобразователя сопротивления или термопары, но и проводить непрерывную диагностику, отслеживать неисправности; осуществлять цифровую обработку сигнала от первичного преобразователя и передавать сигнал преобразованный в измеряемую физическую величину.

Рис. 2.15. Интеллектуальный датчик температуры ТСТ11.

Интеллектуальный датчик температуры ТСТ11 предназначен для измерения температуры различных газообразных, сыпучих и жидких сред. ТСТ11 измеряет температуру с помощью чувствительного элемента, преобразует измеренную температуру и выдает ее значение в цифровом коде по последовательному интерфейсу RS-485.

Основным достоинством датчиков ТСТ11 является возможность их работы в составе распределенной системы АСУ ТП на основе единой полевой сети RS-485.

Использование ТСТ11 позволяет повысить точность измерений и получить существенную экономию на монтажных работах. Значительно облегчается создание систем температурного контроля в случаях, когда затруднена прокладка кабельных трасс для традиционных датчиков.

Выпускаются четыре модификации датчика, отличающиеся диапазоном измеряемых температур Конструктивно ТСТ11 не отличаются оттермопреобразователей сопротивлений или термопар.

БЕСКОНТАКТНЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ:

Принцип действия бесконтактных средств измерения температуры - пирометров основан на измерении теплового излучения нагретых тел. Бесконтактными методами температура определяется по тепловому электромагнитному излучению нагретых тел пирометрами излучения.

Совершенствование современных электронных устройств, непрерывное снижение стоимости микропроцессорных элементов и стремительный рост их функциональных возможностей привел к разработке интеллектуальных датчиков, в которых сигнал от первичного преобразователя тут же обрабатывается микропроцессорным устройством и передается по цифровым каналам другим интеллектуальным узлам системы автоматики.

Основными преимуществами этого типа приборов являются: бесконтактность измерений и возможность контроля высоких (до 4000 °С) температур.

В зависимости от температуры нагретое тело излучает энергию в виде волн различной длины. При температурах до 500 °С тела испускают невидимые инфракрасные лучи. С повышением температуры цвет изменяется от тёмно-красного до белого.

По принципу действия пирометрические термометры делятся на оптические, фотоэлектрические, цветовые и радиационные.

Оптические пирометры (рис. 2.16, 2.17) основаны на сравнении яркости монохроматического излучения тела и эталонной нити лампы (монохроматический пирометр с исчезающей нитью). С помощью реостата добиваются одинаковой яркости объекта и нити.

Отсчёт показаний производится по микроамперметру (мкА).

Для измерения температуры в топках печей применяют пирометры типа ОППИР с диапазоном 800-2000 °С. Длина волны 0,65 мкм. Оптический пирометр с исчезающей нитью Проминь предназначен для измерения температуры поверхности различных объектов (нагретых тел) до 4000 °С.

Рис. 2.16. Структурная схема оптического пирометра.

Рис. 2.17. Внешний вид оптического пирометра Проминь

В фотоэлектрических пирометрах на фотоэлемент попеременно поступает излучение от нагретого тела и лампы в виде синусоидальных напряжений, сдвинутых по фазе на 180°. На сопротивлении R создается синусоидальное напряжение, пропорциональное разности излучений, поступающих от нагретого тела и лампы. Оно усиливается и через фазочувствительный детектор (ФЧД) подаётся на лампу (схема с глубокой отрицательной обратной связью). Пределы измерений температур 800–4000 С. Основная погрешность 1 % от верхнего предела измерения. В качестве вторичного прибора используется потенциометр. Примером фотоэлектрического пирометра может служить прибор типа ФЭП с диапазоном измерений 500–900, 600–1000 и 800–1300 °С.