4.2.1.3. Манометрические термометры

Рис.4.37. Манометрический термометр

Манометрический термометр (рис.4.37) состоит из термобаллона 1, капиллярной трубки 2 и ма­нометрической части (3-6). Вся система прибора (термобаллон, капилляр, манометри­ческая пружина) заполняется рабочим веществом. Различают следующие типы манометрических термометров. Газозаполненные (газовые), вся система которых заполнена газом (например, азотом) под некоторым начальным давлением. Жидкозаполненные (жидкостные), система которых заполнена жидкостью (ртуть, ксилол). Конденсационные, в которых термобаллон частично заполнен низкокипящей жидкостью, а остальное его пространство заполнено парами этой жидкости. Термобаллон помещают в зону измерения темпера­туры. При нагревании термобаллона давление рабочего вещества внутри замкнутой системы увеличивается. Уве­личение давления воспринимается манометрической трубкой (пружиной), которая воздействует через передаточ­ный механизм на стрелку или перо прибора. Термобаллон обычно изготов­ляют из нержавеющей стали, а капил­ляр - из медной или стальной трубки с внутренним диаметром (0,15—0,5) мм. В зависимости от назначения прибора длина капиллярной трубки может быть различна (до 60 м). Для защиты от механических повреждений капилляр помещают в защитную оболочку из стального плетеного рукава. Иногда капилляра может не быть и термобаллон непосредственно соеди­няется с манометрической частью. В манометрических термометрах применяют одновитковые, многовитковые (геликоидальные) с числом вит­ков от 6 до 9 и спиральные манометри­ческие трубки. При измерении темпера­туры агрессивных сред термобаллон манометрического термометра устанавливается в защитной гильзе. Манометрические термометры широко применяют в химических производствax. Они просты по устройству, надежны в работе. С помощью этих приборов можно измерять температуру в диапазоне от -120 до +600°С. Для работы со вторичными приборами (а также с контроллерами) изготавливаются манометрические термометры с электрической и пневматической дистанционными передачами унифицированных сигналов системы ГСП [3].

4.2.1.4. Термоэлектрические термометры

Термоэлектрический термометр включает в себя: датчик (термоэлектрический преобразователь – термопара), канал связи (термоэлектродные провода), вторичный прибор (милливольтметр, потенциометр или контроллер).

Термоэлектрический преобразователь

Первичным преобразователем термоэлектрического термометра служит термопара, состоящая из двух разнородных проводников. Принцип действия термопары основан на термоэлектрическом эффекте (эффект Т. Й. Зеебека), т.е. на возникновении в замкнутой цепи из двух разнородных проводников электрического тока, в том случае если места спаев имеют разную температуру [3]. Электродвижущая сила, обусловленная неодинаковыми температурами мест соединения t и t₀ называется термо-э.д.с., а создающий ее преобразователь – термоэлектрическим термометром (термопара).

Спай с температурой t называется горячим или рабочим, спай с температурой t₀ – холодным или свободным, а проводники А и Б – термоэлектродами (рис. 4.38-4.39).

t₀

A В

t

Рис 4.38. Термоэлектрическая цепь из двух разнородных проводников

Рис. 4.39. Типичный внешний вид термопреобразователя температуры

Термоэлектрический эффект объясняется наличием в металле свободных электронов, число которых в единице объема различно для разных металлов. В спае с температурой t электроны из металла А диффундируют в металл Б, например, в большем количестве, чем обратно. Поэтому металл А заряжается положительно, а металл Б отрицательно. Когда скорость диффузии электронов станет равна скорости их обратного перехода под влиянием установившегося электрического поля, наступает состояние подвижного равновесия. При таком состоянии между проводниками А и Б возникает разность потенциалов. Таким образом, термо ЭДС (ТЭДС) является функцией двух переменных величин, т.е. Е_АВ(t,t₀).

Поддерживая температуру спаев t₀ постоянной, получим:

E_AB(t,t₀)=f(t)

Это означает, что измерение температуры t сводится к определению ТЭДС температуры. ТЭДС не меняется от введения в цепь термопары третьего проводника, если температуры концов этого проводника одинаковы. Следовательно, в цепь термопары можно включать соединительные провода и измерительные приборы.

Для измерения термо-э.д.с. термоэлектрического термометра в его цепь необходимо включить измерительный прибор (ИП). Для этого необходимо разорвать термоэлектрическую цепь в спае t₀ (рис. 4.40).

Рис. 4.40. Схема включения третьего проводника

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. Номинально приписываемая термопаре данного типа зависимость ТЭДС от температуры рабочего конца при постоянно заданной температуре свободных концов называется номинальной статической характеристикой (НСХ) преобразователя термопары.

Требования к материалу для изготовления

термоэлектрических преобразователей (термопар)

Требования к материалу для изготовления термопары:

1. постоянство ТЭДС во времени;

2. устойчивость к воздействию высоких температур;

3. возможно большая величина ТЭДС и однозначная зависимость ее от температуры;

4. небольшой температурный коэффициент электрического сопротивления и большая электропроводность;

5. воспроизводимость термоэлектрических свойств, обеспечивающих взаимозаменяемость термопар [6].

Конструктивное оформление термопар

Конструктивное оформление термопар разнообразно и зависит главным образом от условий их применения. На рис. 4.41 показана термопара типичной конструкции. Как правило, горячий спай промышленных термопар изготовляется сваркой в пламени вольтовой дуги. Термопары платиновой группы свариваются без флюса, а остальные — под слоем флюса. Пайка применяется только при изготовлении нестандартных лабора­торных термопар из очень тонких проволок.

Независимо от конструкции термопара должна удовлетворять ряду требований. Изоляция термоэлектродов должна исключать возможность короткого замыкания и электрических утечек. Термоэлектроды должны быть защищены от механи­ческих повреждений и химического воздействия измеряемой среды. Термоэлектродные провода должны быть надежно подклю­чены к термопаре. Для электрической изоляции термоэлектродов обычно приме­няют фарфор в виде коротких одноканальных или двухканальных трубок, либо бус. Спай термопары остается голым и изолируется обычно фар­форовым наконечником, помещенным на дне защитной металли­ческой трубки. Изолированные электроды промышленных термо­пар помещаются в защитную трубку для предохранения от меха­нических повреждений и химического воздействия среды при высоких температурах. Защитная трубка ввинчивается в головку термопары, внутри которой укреплены две клеммы, соединенные с электродами термопары. Клеммы служат для присоединения концов термо­электродных проводов, для выхода которых головка термопары снабжена сбоку отверстием с коротким патрубком. Для агрессивных сред применяются защитные трубки из металлокерамики или стальные трубки, покрытые слоем туго­плавкой эмали. Холодные спаи каждой термопары укреплены под винтами фарфоровой контактной колодки. Соединительные провода выве­дены из арматуры термопары через специальные сальниковые уплотнения [3].

Рис. 4.41. Термопара в защитной арматуре с передвижным фланцем:

1 - горячий спай термопары; 2 - фарфоровый наконечник; 3 - защитная трубка; 4 - фарфоровые бусы; 5 - передвижной фланец для крепления термопары; 6 - корпус головки; 7 - фарфоровая колодка; 8 - винты для крепления колодки; 9 - зажимы; 10 - винты для крепления термоэлектродов в зажимах; 11 - винты для крепления про­водов; 12 - крышка; 13 - прокладка; 14 - штуцер для вывода; 15 - асбестовый шнур; 16 - винт для цепочки.

Виды стандартных термопар и диапазоны измеряемых температур

В соответствии с ГОСТ 6616-94 [11] известны следующие виды термопар (см. таблицу 4.6).

Таблица 4.7. Виды термопар

Тип термопары	Буквенное обозначение НСХ*	Пределы измеряемых температур
		Нижний	Верхний	Кратко-временно
Медь-константановая ТМКн	T	-200	350	400
Хромель-копелевая ТХК	L	-200	600	800
Хромель-константановая ТХКн	E	-200	700	900
Железо-константановая ТЖКн	J	-200	750	900
Хромель-алюмелевая ТХА	K	-200	1200	1300
Нихросил-нисиловая ТНН	N	-270	1200	1300
Платинородий-платиновые ТПП13, ТПП10	R,S	0	1300	1600
Медь-копелевая ТМК	М	-200	100	-
Сильх-силиновая ТСС	I	0	800	-
Платинородий-платинородиевая	B	600	1700	-
Вольфрамрений-вольфрамрениевые	А-1,А-2, А-3	0	2200	2500

*НСХ ­– номинальная статическая характеристика.

Термоэлектродные провода

Соединительные провода в данном случае предназначены для удаления холодных спаев термопары возможно дальше от объекта измерения, т.е. от зоны с меняющейся темпе­ратурой. Соединительные провода должны быть термоэлектри­чески подобны термоэлектродам термопары; их целесообразно называть термоэлектродными проводами. Как правило, термоэлектродные провода и термоэлектроды термопар, изготовленных из неблагородных металлов, выпол­няются из одних и тех же материалов (удлинение термопары). Исключение составляет хромель-алюмелевая термопара, для ко­торой с целью уменьшения сопротивления линии в качестве термоэлектродных проводов часто применяют медь в паре с константаном. Для платинородий-платиновых термопар в качестве термоэлектродных проводов упот­ребляется медь в паре с медноникелевым сплавом (99,4% Сu + 0,6 % Ni). Эти про­вода в паре между собой до 100°С развивают такую же т.э.д.с, что и платинородий-платиновая термопара [3].

Способы компенсации изменения температуры холодных спаев термопары

Правильное измерение температуры возможно лишь при постоянстве температуры холодных спаев t₀ (рис. 4.42). Это условие обеспечивается с помощью соединительных проводов и специальных термостатирующих устройств.

Рис. 4.42. Схема включения соединительных проводов

Для правильного измерения температуры обязательно соблюдение равенства температур в точках 1 и 2 (рис. 4.42). Для этого точки 1 и 2 помещаются близко одна к другой в головке термопары. Как видно из рис. 4.42, холодные спаи t₀ удалены от головки термопары на длину термоэлектродных проводов, что обеспечи­вает термостатирование холодных спаев. От термоэлектродных проводов до измерительного прибора 3 можно применять медные провода. Иногда на всем протяжении от термопары до измеритель­ного прибора 3 применяют термоэлектродные провода, что облегчает введение поправки на температуру холодных спаев. Однако при этом надо учитывать, что термоэлектродные провода обладают относительно большим сопротивлением. Основные технические данные термоэлектродных проводов приводятся в специальной справочной литературе.

В лабораторных условиях температуру холодных спаев t₀ обычно поддерживают равной 0°С. В этом случае места спаев погружают в пробирки с маслом, которые помещают в сосуд Дьюара, напол­ненный тающим льдом. Холодные спаи могут находиться и при комнатной температуре, но тогда они должны быть погружены в сосуд с маслом, температура которого контролируется.

Поправку на температуру холодных спаев вводя двумя способами: по градуировочной таблице или автоматически.

В производственных условиях для автоматического введения поправки на температуру холодных спаев применяются мостовые электрические схемы [3].

Измерительные (вторичные) приборы, применяемые в комплекте с термопарами для измерения температуры

Для измерения ТЭДС в комплектах термоэлектрических термометров применяют вторичные приборы: милливольтметры и потенциометры (той же градуировки, что и термопара). Милливольтметры – это магнитоэлектрические приборы. Их работа основана на взаимодействии проводника, по которому течет ток, и магнитного поля постоянного магнита. Милливольтметры делятся на переносные и стационарные.

Принцип потенциометрического метода измерения основан на уравновешивании (компенсации) измеряемой ТЭДС известной разностью потенциалов, образованной вспомо­гательным источником тока. Потенциометры делятся на лабораторные, переносные и автоматиче­ские.

Принцип действия магнитоэлектрического милливольтметра

Магнитная система милливольтметра (рис.4.43) состоит из подковооб­разного магнита, полюсных наконечников и цилиндрического сердеч­ника 1. В воздушном кольце­вом зазоре между полюсными наконечниками и сердечником вращается рамка 2 из медного (реже алюминиевого) провода. Чаще всего рамка крепится на кернах 5, которые опира­ются на подпятники 3 из агата или рубина. Момент, проти­водействующий вращению рамки, создается спираль­ными пружинами 4, которые одним концом крепятся к оси 5 и одновременно служат для подвода тока от термоэлек­трического преобразователя к рамке. Зависимость угла φ поворота рам­ки, а значит и стрелки 7, от величины тока I (т.е. от величины температуры) может быть выра­жена приближенной формулой φ≈СI, где С=const. Из формулы следует, что шкала милли­вольтметра 6 равномерна и чувствитель­ность прибора одна и та же в любом месте шкалы. В приборах с рамкой на кернах не­обходимо учитывать момент трения в опорах, который вносит погрешность в результаты измерений и создает ва­риа­цию в показаниях прибора. Погрешно­сти вызыва­ются также неуравновешен­ностью по­движной системы, когда ее центр тяже­сти не совпадает с осью вра­щения.

Рис. 4.43. Схема измерительного механизма

магнитоэлектрического милливольтметра

Схема автоматического введения поправки на температуру холодных спаев

Для исключения влияния отклонений температуры свободного спая термопары на показания вторичного прибора (милливольтметра) в замкнутый контур введен неуравновешенный (компенса­ционный) мост (рис.4.44). Термопара 2 включается последовательно с неуравновешенным мостом, три плеча которого (R₁, R₂ и R₃) выполнены из манганина, а четвертое (R₄) - медное. Материал - манганин, в отличие от меди, не меняет своего сопротивления до температуры 100°С. Схема питается от стабилизирован­ного источника питания. До­бавочное сопротивление Rд служит для подгонки подавае­мого на мост напряжения до нужного значения. От термо­пары до компенсационного моста прокладываются термо­электродные провода, от моста до измерительного прибора – медные [3].

При градуировочной температуре (t₀=0°С) холодных спаев термопары мост находится в равновесии и разность потенциалов на вершинах моста cd (поправка) равна нулю. При отклонении температуры холодных спаев от t₀=0C меняется сопротивление R₄, вследствие чего нарушается равновесие моста, и на его вершинах cd возникает разность потенциалов, которая равна по величине и противоположна по знаку изменению ТЭДС термопары, вызванному отклонением температуры ее холод­ных спаев от градуировочной. Эта поправка добавляется к базовой разности потенциалов, и милливольтметр показывает измеренную величину температуры.

Рис. 4.44. Электрическая схема автоматической компенсации

температуры холодных спаев термопары:

1-компенсационный мост; 2-термопара;

3-милливольтметр; 4-источник сетевого питания

Сущность компенсационного метода измерения ТЭДС

Потенциометры

Принцип потенциометрического метода измере­ния температуры основан на уравновешивании (компенсации) измеряемой ТЭДС известной разностью потенциалов, образованной вспомогательным источником тока. Принципиальная схема измерения ТЭДС термопары показана на рис.4.45.

Рис.4.45. Принципиальная схема потенциометра

Ток от вспомогательного источника (су­хого элемента) проходит по цепи, в кото­рую между точками А и В включено со­противление R_AB в виде реохорда, кото­рый в данном случае представляет собой калиброванную проволоку. Разность потенциалов между точ­кой А и любой промежуточной точкой Д (положение фиксируется движком) пропорциональна сопротивлению R_AД. Точка Д выполнена в виде скользящего контакта (движок реохорда). Последовательно с термопарой вклю­чен чувствительный нуль-прибор (НП) с нулем в середине шкалы (индикатор наличия тока в цепи термопары). Пусть НП на нуле. Помещаем термопару в измеряемую среду. Стрелка НП, естественно, отклоняется от нуля. Передвигая контакт (Д) по сопротивлению R_{AB ,} можно найти положение, при котором ток в цепи термопары равен нулю, т.е. стрелка НП будет стоять на ну­левом делении шкалы, а контакт реохорда (Д) будет в новом положении. Следовательно, ТЭДС термопары (а значит и измеряемая температура) определяется известной величиной падения напряжения на участке сопротивления R_АД.

Измерение ТЭДС компенса­ционным методом зависит от по­стоянства тока в цепи реохорда. Схема такого потенциометра показана на рис.4.46 [6].

В схеме к цепи источника и цепи термо­пары добавляется цепь нормального элемента, в которую вхо­дит нормальный элемент (НЭ), сопротивление R_HЭ и нуль – при­бор НП (рис. 4.46). В начале переключатель П переводят на контакт К, вклю­чая НП в цепь НЭ и одновременно разрывая цепь термопары. Нуль-прибор, естественно, отклонился от нуля. Реостатом R_b, добиваются такого положения, при котором стрелка НП устанавливается на нуле шкалы. Итак, пришли к исходной точке отсчета.

Рис. 4.46. Принципиальная схема потенциометра с постоянной силой

тока в компенсационной цепи

Для измерения ТЭДС термопары переключатель П переводят на контакт И, подключая тем самым термопару последовательно с НП к измерительному сопротивлению в точке b и к скользящему контакту Д. Естественно, что НП выйдет из нуля. Перемещая контакт Д, находим такое положение, при котором НП покажет 0, т.е. разность потенциалов между точками bД равна ТЭДС термопары. Нашли ТЭДС, значит, нашли величину измеренной температуры. Измерение ТЭДС компенсационным методом осуществляется при отсутствии тока в цепи термопары, поэтому сопротивление цепи (термопары, соединительных проводов, НП), а, следовательно, и его зависимость от температуры не влияет на точность измерения. Это свойство является одним из существенных преимуществ компенсационного метода измерения [6].

Функциональная схема автоматического электронного потенциометра

Если в рассмотренных выше потенциометрах небалансный ток измерительной цепи потенциометра вызывает отклонение стрелки нулевого прибора, то в автоматических потенциометрах нулевой прибор отсутствует. Он заменен электронным нуль – индикатором. Автоматические электронные потенциометры, кроме измерения температуры, могут быть использованы и для автоматического регулирования температуры. В этом случае они снабжаются дополнительным регулирующим устройством. Кроме того, на базе автоматических потенциометров созданы вторичные приборы, которые в комплекте с соответствующими преобразователями используются для измерения других неэлек­трических величин (давления, расхода, уровня, концентрации и др.). Автоматические потенциометры работают в комплекте с одной из стандартных термопар или с радиационным пирометром. Шкалы их практически равномерны. Различные модификации автоматических потенциометров, отли­чающиеся один от другого наличием или отсутствием определен­ных узлов, работают одинаково.

Измерительные схемы всех автоматических потенциометров предусматривают автоматическое введение поправки на температуру холодных спаев термопары. С этой целью они выполняются в виде неуравновешенного моста. Все сопротивления измерительной схемы (рис.4.47), кроме Rк, выполняются из манганина; сопротивление Rк – из меди или никеля. Цепь источника тока состоит из двух ветвей: рабочей, в кото­рую включен реохорд Rр, и вспомогательной, состоящей из двух сопротивлений Rнэ и Rк. Наличие вспомогательной ветви позволяет автоматически вве­сти поправку на температуру холодных спаев термопары. Сопротивление Rк и холодные спаи термопары должны находиться при одинаковой температуре. В приборе сопротивление Rк располагается недалеко от места подключения термопар. Измеряемая ТЭДС термопары компенсируется падением напряжения на сопротивлении Rp, зависящего от положения движка реохорда, и сопротивлениях Rнэ и Rк. Повышение температуры холодных спаев вызывает уменьше­ние ТЭДС термопары на величину Е (t₀^′t₀). При этом падение напряжения на сопротивлении Rк одновременно возрастает; тогда получаем равенство

Е (t t₀) - Е (t₀^′ t₀) = I₂ Rp + I₂ R_H - I₁(Rк + Rк).

Чтобы движок реохорда сохранял свое прежнее положение и потенциометр показывал измеряемую температуру, необходимо обеспечить равенство:

Е (t₀^′ t₀) = I₁ Rк. Если т.э.д.с. термопары Е (tt₀) не равна падению напря­жения Ubd, то напряжение небаланса (Е(tt₀)- Ubd) - подается на зажимы преобразовательного каскада, входящего в электронный усилитель ЭУ. В преобразовательном каскаде постоянное напряжение не­баланса преобразуется в переменное, которое затем усиливается по напряжению и мощности до значения, достаточного для вращения реверсивного двигателя РД, который, вращаясь по часовой стрелке или против нее в зависимости от знака разбаланса, пе­редвигает движок реохорда и восстанавливает равновесие измери­тельной схемы. Одновременно двигатель РД перемещает пока­зывающую стрелку. При равновесии измерительной схемы, когда Е (tt₀) = U_bd ротор реверсивного двигателя не вращается, так как на вход преобразовательного каскада напряжение не подается. Для установки рабочего тока I₁ переключатель П, нормально находящийся в положении И (измерение), переводится в положе­ние К (контроль). При этом одновременно устанавливается кине­матическая связь реверсивного двигателя с движком реостата R_б и подключается электронный усилитель к цепи нормального элемента (НЭ). Если падение напряжения не равно э.д.с. нормального элемента, то электронный усилитель, так же как и при измерении ТЭДС термопары, получает сигнал, равный разности между э.д.с. нормального элемента и падением напряжения на сопро­тивлении Rнэ. Реверсивный двигатель, вращаясь по часовой стрелке или против нее, в зависимости от знака разбаланса, передвигает движок реостата R_б, меняя величину питающего напряжения. В момент равновесия, когда I₁= Енэ/Rнэ на электронный усилитель сигнал не подается и реверсивный двигатель остана­вливается. В этот момент устанавливается вполне определенное значение рабочего тока I₂. В автоматических потенциометрах применяются усилители переменного тока, которые значительно проще, дешевле и надеж­нее усилителей постоянного тока. Для преобразования постоянного напряжения разбаланса измерительной схемы в переменное напряжение частотой 50 Гц служит преобразовательный каскад [6].

Достоинства термоэлектрических термометров:

1. Достаточно высокая точность измерения температуры.

2. Возможность централизованного дистанционного контроля температуры путем соединения нескольких термометров через переключатель к одному вторичному прибору.

3. Возможность автоматической записи измеряемой температуры с помощью самопишущего прибора.

4. Достаточно широкий диапазон измеряемых температур (-200 ÷ +2500⁰С).

Преобразователи термоэлектрические с унифицированным

токовым выходным сигналом (типа ТХАУ (хромель-алюмель))

Эти термопреобразователи обеспечивают непрерывное преобразование температуры твердых, жидких, газообразных и сыпучих веществ в унифицированный токовый сигнал и предназначены для работы в системах автоматического контроля и регулирования технологическими процессами. Первичный преобразователь преобразует температуру в милливольты. Встроенный в головку датчика (рис.4.48) измерительный преобразователь преобразует милливольты в унифицированный токовый выходной сигнал (4-20 мА), что дает возможность построения систем АСУТП без применения дополнительных нормирующих преобразователей. В современных схемах роль измерительного преобразователя выполняет микропроцессорный преобразователь.

Микропроцессорный преобразователь сигналов первичного преобразователя в унифицированный размещен также в головке термопреобразователя и содержит компенсатор нелинейности сигнала первичного преобразователя и компенсатор температуры холодного спая. Выходные сигналы (0-5)мА, (4-20) мА [6].

Рис. 4.48. Преобразователь термоэлектрический с унифицированным

токовым выходным сигналом (ТХАУ)

Рассмотрим применение термопреобразователей типа ТХАУ в системах автоматического контроля температуры.

Система автоматического контроля температуры целевого продукта

в точке А на выходе из теплообменника с использованием ТХАУ

Вариант 1.

Хладагент

ПК

Персональный компьютер (ПК) и контроллер подключены к схеме через аналого – цифровой преобразователь (АЦП). Вторичный прибор «Экограф» это показывающий, регистрирующий и сигнализирующий прибор с входными и выходными сигналами (4-20) мА, а также имеет 4 входных и выходных цифровых канала. Класс точности К=0,15; габариты: (144х144х 211) мм. Имеет 3 реле.

Наличие выходного сигнала (4-20)мА позволяет построить схему измерения и по второму варианту.

Вариант 2.

Контроллер

ПК