Тема 4

“Измерение температуры”

Цель работы:

1. Изучить принцип действия основных преобразователей температуры, применяемых в теплоэнергетике в производстве;

2. Изучить функциональную структуру лабораторного стенда, используемого для поверки преобразователей температуры;

3. Произвести калибровку преобразователя температуры (тип преобразователя указывается преподавателем).

4.1. Понятие температуры

Температура, наряду с удельным объемом и давлением, есть параметр, характеризующий состояние вещества. С точки зрения молекулярно-кинетической теории температура является мерой средней кинетической энергии движения молекул.

Непосредственно измерить температуру невозможно. В практике измерений температуры используют явления, происходящие под воздействием тепла (например, расширение тела, измерение электрического сопротивления, излучение нагретых тел). Однако количественная оценка температуры возможна лишь при соотнесении показаний термометра с некоторой эталонной температурой, например с температурой тройной точки воды.

Температура является величиной, не подчиняющейся правилу аддитивности (такому свойству величины, когда значение величины, соответствующее целому объекту, равно сумме значений величин, соответствующих его частям, как бы ни был разделен объект). Более того, применение понятия температуры для одной молекулы вообще бессмысленно. Поэтому для измерения температуры необходимо иметь не только единицу измерения, но и шкалу, в которой температура определяется через какую-либо подчиняющуюся закону аддитивности величину, связанную с температурой функциональной зависимостью (например, ЭДС, сопротивление и т. п.).

Идеальная температурная шкала – это термодинамическая температурная шкала, основанная на втором законе термодинамики. За единицу абсолютной температуры T принят Кельвин (символ K), как 1/273,16 часть температуры тройной точки воды. В практике широко используется выражение температуры относительно точки плавления льда, температура которой на 0,01К ниже тройной точки воды. Тогда практическая температура, известная как температура Цельсия (символ t) определится выражением t = T – 273,15. Единицей температуры Цельсия является градус Цельсия (символ ^oC), размер которого равен Кельвину (т.е. 1^oC = 1K). В международной температурной шкале 1990 г. (МТШ-90) используется как температура Кельвина (T₉₀), так и температура Цельсия (символ t₉₀).

4.2. Термоэлектрические преобразователи температуры

Термоэлектрический преобразователь (ТЭП) – это преобразователь, действие которого основано на зависимости термоэлектродвижущей силы (термоЭДС) от температуры.

Чувствительным элементом ТЭП является термопара, спаянная из двух разнородных проводников, имеющая стандартную градировочную термоэлектрическую характеристику и удовлетворяющая требованию жаропрочности, химической стабильности и воспроизводимости материалов термоэлектродов для обеспечения взаимозаменяемости.

Зависимость развиваемой термопреобразователем термоЭДС от температуры рабочего спая t_o = 0^oC (можно обозначить E(t,0)=f(t)) называется номинальной статической характеристикой преобразования (НСХ). Для стандартных ТЭП НСХ заданы в виде градуировочных таблиц и обозначаются условными символами в русском и международном обозначении.

В практике используются термоэлектрические преобразователи в соответствии с российским государственным стандартом ГОСТ Р8.-585-2001, введенным в действие 01.07.2002 г. Основные данные этих преобразователей приведены в табл 4.1. Они охватывают диапазон измерения температуры от – 270 до 2500 ^oC.

Таблица 4.1

Основные типы термоэлектрических преобразователей

Тип термопары	Обозначение МЭК*	Обозначение НСХ	Химический состав термоэлектродов и массовая доля компонентов, %		Пределы измерения температур, oC
			положительный	отрицательный	нижний	верхний	кратковременный
Медь-константан (ТМКн)	Cu-CuNi	T	Cu	Cu+ (40-45) Ni+1,0Mn+0,7Fe	-200	350	400
Хромель-копель (ТХК)	-	L	Ni-9,5Cr	Cu+(42-44)Ni+0,5Mn+0,1Fe	-200	600	800
Хромель-константан (ТХКн)	NiGr-CuNi	E	Ni+9,5Cr	Cu+(40-45)Ni+1,0Mn+0,7Fe	-200	700	900
Железо-константан (ТЖК)	Fe-CuNi	J	Fe	Cu+(40-45)Ni+1,0Mn+0,7Fe	-200	750	900
Хромель-алюмель (ТХА)	NiCr-NiAl	K	Ni+9,5Cr	Ni+1Si+2Al+2,5Mn	-200	1200	1300
Нихросил-нисил (ТНН)	NiCrSi NiSi	N	Ni+14,2Cr +1,4Si	Ni+4,4Si+0,1Mg	-270	1200	1300
Платино-родий - платино-родий	-	B	Pt+30Rh	Pt+6Rh	600	1700	-
Платино-родий - платина (ТПП13, ТПП10)	-	R S	Pt+13Rh Pt+10Rh	Pt Pt	0	1300	1600
Вальфрам-рений – Вольфрам-рений (А-1, А-2, А-3)	-	-	W+5,0Re	W+20Re	0	2200	2500

*МЭК – международная электротехническая комиссия

В том случае, когда температура свободных концов термоэлектрического преобразователя t_o в процессе измерения не равна нулю, следует ввести поправку на температуру свободных концов E(t₀,0), прибавляя её к измеряемой E(t,t₀)

E(t,0)= E(t,t₀)+ E(t,0).

С этой целью измеряют прямым методом температуру свободных концов t₀ ТЭП, по градуировочной таблице НСХ определяют E(t₀,0) и после прибавления к измеренной E(t,t₀) по этой же таблице находят искомую температуру измеряемого объекта.

Свободные концы термоэлектрического преобразователя всегда находятся вне объекта измерения, где температура переменна. Для обеспечения измерительного процесса применяют так называемые удлиняющие термоэлектродные провода, изготовленные из материалов, отличных от материалов термопар, но имеющие одинаковые с ними термоэлектрические свойства. Поэтому с помощью этих проводов как бы удлиняют свободные концы ТЭП и выводят их в зону с постоянной температурой t₀. Если t₀ отличается от 0 ^oC, то упрощается введение поправки на температуру свободных концов, появляется возможность автоматической поправки отклонения температуры свободных концов ТЭП от 0 ^oC (например, как у автоматических потенциометров в виде специального для этой цели медного сопротивления в измерительной цепи прибора). Для термопреобразователей, у которых в присоединительной головке встроен промежуточный нормируемый преобразователь вырабатывающий аналоговый токовый или цифровой сигнал, надобность введения поправки на измерение температуры свободных концов отпадает (например, для теплопреобразователя Метран-281).

В приложении 1 приведены НСХ в виде таблиц для градуировок XK(L), ХА (К) и ПП (S). Из таблиц видно, что из этих трех наибольшую термо-ЭДС развивает термопара ХК (6,86 мВ в диапазоне от 0 до 100 ^oC), а наименьшую – термопара ПП (0,645 мВ на этом же диапазоне). Поэтому при невысоких температурах целесообразнее использовать термопреобразователи типа ХК.

Наиболее линейную НСХ имеют термопары ХА, а наиболее точной является термопара ПП.

Отклонение от реальной градуировочной характеристики от номинальной определяется классом ТЭП. Классы обозначаются цифрами 1, 2, 3 в порядке увеличения погрешности. Внутри класса погрешность зависит от измеряемой температуры, что нужно учитывать при оценке результата измерения. Пределы допускаемых отклонений от номинальных значений НСХ для стандартных термопар приведены в табл. 4.2.

Термоэлектрический преобразователь – ТЭП представляет собой термопару с изолированными электродами, помещенными в защитную арматуру. Существует большое разнообразие ТЭП по конструктивному исполнению. Их можно подразделить на термопреобразователи промышленного назначения и специальные.

На рис 4.1. представлена конструкция термоэлектрического преобразователя общепромышленного назначения. Обычно рабочий спай 2 выполняется сваркой. Электроды изолируются от защитной арматуры кварцевыми (до 1000 ^oC) или фарфоровыми (до 1400 ^oC) трубками или бусами. Для более высоких температур применяются оксиды металлов: алюминия, магния, бериллия и т.п. Рабочий спай может быть защищен керамическим наконечником 5. В качестве материала защитной арматуры используют нержавеющую сталь (до 900 ^oC), например, сталь марки 12Х18Н10Т.

Рис. 4.1 Конструкция термоэлектрического преобразователя общепромышленного назначения:

1 – электроды; 2 – рабочий пай; 3 – трубка; 4 – защитная арматура; 5 – керамический наконечник; 6 – заливка; 7 – головка; 8 – сборка; 9 – зажимы; 10 – удлиняющие провода; 11 – герметизированный ввод; 12 – элементы крепления термопреобразователя.

Длина монтажной части L различных модификаций составляет (0,08...2,5)м, диаметр рабочей части (5...25)мм.

Таблица 4.2.

Пределы допускаемых отклонений НСХ ТЭП

Подгруппа ТЭП	Класс точности	Диапазон измеряемых температур, oC	Предел допускаемых отклонений ±Δt, oC
ТМКн(Т)	3	-200...-66	0,015·| t |
		-66...40	1,0
	2	-40...135	1,0
		135…400	0,0075·| t |
	1	-40…125	0,5
		125...350	0,004·| t |
ВР(А)	3	1000...2550	0,007·| t |
	2	1000...2550	0,005·| t |
ТПР(В)	3	600...800	4,0
		800...1800	0,005·| t |
	2	600...1800	0,0025·| t |
ТПП(S,R)	2	0…600	1,5
		600…1600	0,0025·| t |
	1	0…1100	1,0
		1100…1600	1,0+0,003(t-1100)
ТХА(К) ТНН(N)	3	-250…-166,7	0,015·| t |
		-166,7…40	2,5
	2	-40…333,4	2,5
		333,4…1350	0,0075·| t |
	1	-40…375	0,5
		375…1350	0,004·| t |
ТХК(L)	3	-200...-100	0,015·| t |
		-100...100	2,5
	2	-40...300	2,5
		300...800	0,7+0,005·| t |
ТХКн(Е)	3	-200...-166,7	0,015·| t |
		-166,7...-40	2,5
	2	-40...333,4	2,5
		333,4...900	0,0075·| t |
	1	-40...375	1,5
		375...800	0,004·| t |
ТЖКн(J)	2	-40...333,4	2,5
		333,4...900	0,0075·| t |
	1	-40...375	1,5
		375...750	0,004·| t |
ТХАУ 4...20мА		0...1000	0,5;　1% (приведенная)
Метран-281 выход 4...20мА, HART протокол		0...1000	0,75% по аналоговому сигналу 0,5% по цифровому (приведенные)

В качестве объекта поверки в данной работе используется термоэлектрические преобразователи общепромышленного назначения типа Метран-201-31 с градуировкой ТХА(К) и Метран-202-31 с градуировкой ТХК (L) по ГОСТ Р8.858 (общий вид представлен на рис. 4.2).

Рис. 4.2. Термопреобразователи типа ТХА Метран-201-31

ТХК Метран-202-31

Технические характеристики этих термопреобразователей представлены в таблице 4.3.

Таблица 4.3.

Технические характеристики термопреобразователей Метран-201-31 и Метран-202-31.

Наименование показателя	Единица измерения	Метран-201-31	Метран-202-31
Рабочий диапазон температур	oC	-40…800	-40…600
Номинальное значение температуры применения	oC	600	450
Обозначение НСХ по ГОСТ Р8.585	-	ТХА(К)	ТХК(L)
Материал защитной арматуры	-	Аустенитная сталь 12ХН10Т	Аустенитная сталь 12ХН10Т
Условное давление применения	МПа	0,4	0,4
Длина монтажной части, L	мм	250	250
Показатель тепловой инерции,	с	40	40
Масса	кг	0,5	0,5
Заводской номер	-	59979	599680
Пределы допускаемой основной погрешности в рабочем диапазоне температур: от -40 до 300 от 300 до 400 от 400 до 500 от 500 до 600 от 600 до 650	oC	±3,25 ±4,00 ±4,90 ±5,85 ±5,85	±3,25 ±3,50 ±4,20 ±4,80 ±5,20
Класс допуска	-	2	2

Чувствительным элементом этих термопреобразователей являются термопарные кабели с минеральной изоляцией термоэлектродов типа КТМС (ХА) и КТМС (ХК) соответственно. Свободные концы термопарного кабеля подключены к армированным контактам в корпусе соединительной головки.

Термопреобразователи предназначены для измерения температуры газообразных и жидких химически неагрессивных сред, не разрушающих материал защитной арматуры или материал оболочки кабеля.