1.2 Измерение технологических параметров

1.2.1 Измерение температуры. Приборы для измерения температуры

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

Для измерения температуры были предложены различные температурные шкалы, но наибольшее распространение полу­чила стоградусная температурная шкала Цельсия. По этой шкале основными точками, ограничивающими основной тем­пературный интервал, являются точка плавления льда (0 "С) , точка кипения воды (100 "С) при нормальном ат­мосферном давлении. Единица температуры, равная одной сотой части основ­ного температурного интервала, получила название градус (от лат.— шаг, ступень).

Согласно международной практической температурной шкале и ГОСТ 8.157-75 предусматривается приме­нение двух температурных шкал: термодинамической и практиче­ской. Температура по этим шкалам выражаться 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

где = 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). Существуют контактные и бесконтактные методы измерения температуры. В первом случае необходимо обеспечить надежный тепловой контакт чувствительного элемента прибора с объектом измерения. Если отсутствует возможность такого контакта, при­меняют различные бесконтактные методы измерения.

Средством для контактного измерения температуры называется термометром. По принципу действия термометры разделены на три группы — термометры 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. Предел измерения этими термометрами составляет от -190 до +600 'С.

Жидкостный стеклянный технический термометр имеет заполненный жидкостью (обычно ртутью) резервуар 7, тон­костенную капиллярную трубку 2, пластину 3 с нанесенной на ней шкалой, наружную стеклянную оболочку 4. Такие термо­метры применяют 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 утлом 90 или 135 град, (типа У и Б). Нижняя часть Б выполняется различной длины (от 66 до 2000 мм).

Для предохранения стеклянной оболочки от повреждения термометры помещают в защитные стальные оправы, которые, как и термометры, по форме выполняют прямыми и угловыми. Для сигнализации и измерения температуры применяют термо­метры ртутные электроконтактные. Их изготавливают с электро­контактами, впаянными в капиллярную трубку термометра. За­мыкание или размыкание электрической цепи происходит вслед­ствие расширения или сжатия ртути при нагревании или охлаждении нижней части термометра.

Принцип действия манометрических термометров основан на изменении давления рабочего (термометрического) вещества в замкнутой герметичной термосистеме, которая со­стоит 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 через тягу 10, зубчатый сектор 11 и шестерню 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 рабочеговещества 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.

Принцип действия термометра сопротивления 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. 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.

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 употребляются в связи с широким распространением автомати­ческих электронных мостов.

В промышленных условиях для этих целей используют автоматические электронные мосты типа КСМ-4 , в измерительную диагональ которых вместо нульприбора включается 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 К, 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 К_р неподвижен, стрелка показывает измеряемое значение температуры.

При изменении температуры изменяется сопротивление тер­мометра К,. Равновесие мостовой схемы нарушается, и в диагонали моста между точками А и С появляется напряжение небаланса, амплитуда и фаза которого зависят от величины и направления отклонения температуры от прежнего значения точек. Это напря­жение усиливается усилителем ЗУ до значения, недостаточного для приведения в действие реверсивного двигателя РД. Выходной нал РД кинетически связан с движком реохорда 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.

Термоэлектрические термометры (термопары) применяют для измерения очень высоких температур, и поэтому в схемах автоматизации СТОЗ они практически не используются.