1402

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Воронежский государственный технический университет»

Булыгин Ю.А., Скуфинский А.И., Соколов С.А.

«МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ В НЕФТЕГАЗОВОМ ОБОРУДОВАНИИ»

Утверждено редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия

Воронеж 2004

3

1 ТЕМПЕРАТУРА И ЕДИНИЦЫ ИЗИМЕРЕНИЯ

1.1Международная температурная шкала

1.1.1 До введения термодинамической шкалы температур применялись интервальные температурные шкалы (Фаренгейта, Реомюра, Цельсия), реализуемые с помощью жидкостных термометров. Их недостаток – нелинейное отклонение шкалы от термодинамической, обусловленное свойствами рабочих веществ.

1.1.2Удовлетворяющая всем требованиям хорошо воспроизводимая температурная шкала, не зависящая от значения температуры и каких-либо свойств веществ, была разработана в 1848 году У. Томсоном (лордом Кельвином) и назы-

вается термодинамической температурной шкалой Кель-

вина (ТТШК). В 1954 году десятая Генеральная конференция по мерам и весам (ГКМВ) определила единицей термодинамической температуры градус Кельвина как 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды. С 1967 года единица термодинамической температуры называется

кельвин (К).

Основное правило, предъявляемое к температурной шкале, - измеренные по ней температуры должны совпадать с температурами, входящими в формулы термодинамики и статистической физике, служащие основой для теплофизических расчетов. Такая термодинамическая шкала вводится посредством цикла Карно. Термодинамическая шкала может быть введена также согласно второму закону термодинамики.

1.1.3При измерении температуры по термодинамической шкале на практике применяют обычно не цикл Карно, а одно из строгих следствий второго начала термодинамики, связывающих удобно измеряемое термодинамическое свойство с термодинамической температурой: законы идеального газа, законы излучения абсолютно черного тела и т.д. термометры, для которых температурная зависимость Т(х) получена из этих соотношений, часто называют первичными.

4

1.1.4Первичные термометры высокой точности представляют собой, в большинстве своем, громоздкие устройства, непригодные для практических применений. Их назначение – передать термодинамическую температурную шкалу удобным чувствительным и стабильным вторичным термометрам.

Способ градуировки вторичных платиновых термометров с внесением поправок в реперных (опорных) точках лежит

воснове международной температурной шкалы, которая воспроизводит температуры по термодинамической температурной шкале с минимальными отклонениями от последней. Важное преимущество международной температурной шкалы – ее независимость от конкретного термометра – носителя шкалы.

1.1.5Реализация термодинамической шкалы на практике требует проведения большого числа экспериментов, поэтому на основе международных соглашений была принята чисто эмпирическая, легко воспроизводимая шкала, так назы-

ваемая Международная практическая температурная шкала (МПТШ), которая приближается к термодинамической температурной шкале Кельвина (ТТШК). В настоящее вре-

мя в качестве стандарта принята уточненная в 1990 году шкала МТШ-90. Температуры основных реперных точек МТШ-90 приведены в приложении Б.

1.1.6В диапазоне от своего нижнего предела, равного

0,65 К, и до 5 К

МТШ-90 воспроизводится по давлению насыщенных паров гелия. В интервале 3…13,8 К используется газовый термометр, а в интервале 13,8…24,5 К допускается применение как газового термометра, так и платинового термометра сопротивления. Выше 24,5 К и вплоть до 1235 К МТШ-90 воспроизводится платиновым термометром, а при более высоких температурах – радиационным пирометром, измеряющим отношение спектральных плотностей светового потока абсолютно черных тел согласно закону излучения Планка.

1.1.7В области температур ниже 0,65 К чаще других применяют температурные шкалы, основанные на законе Кю-

5

ри для магнитной восприимчивости электронных и ядерных парамагнетиков, флуктуациях напряжений на электронном сопротивлении, а также на температурной зависимости давления

вточке плавления гелия-3. для градуировки термометров в этом случае обычно используют температуры перехода в сверхпроводящее состояние некоторых металлов и сплавов, из которых самую низкую температуру имеет переход в вольфраме (15,5 мК), а также температуры перехода жидкого гелия-3

всверхтекучее состояние (2,78 мК), перехода его во вторую сверхтекучую фазу (2,18 мК) и переход твердого гелия-3 в антиферромагнитное состояние (1,1 мК).

1.1.8Государственные первичные эталоны России воспроизводят МТШ-90 в двух поддиапазонах: 0,8…273,16 К и 273,16…2773 К. Основную часть низкотемпературного эталона составляют две группы железо – родиевых и платиновых термометров сопротивления, каждая из них содержит два платиновых и два железо – родиевых термометра, постоянно помещенных в блок сравнения – массивный цилиндр с четырьмя продольными каналами для термометров, что существенно повышает их долговременную стабильность.

1.1.9Градуировочные зависимости термометров определены по результатам международных сличений результатов, полученных национальными термометрическими лабораториями России, Великобритании, США, Австралии и Нидерландов.

1.1.10В контактной термометрии рабочими эталонами нулевого разряда - государственными эталонами для воспроизведения МТШ – оснащены РОСТЕСТ – Москва, ТЕСТ – Санкт – Петербург, Уральский ЦСМ (г. Екатеринбург) и СНИИМ (г. Новосибирск).

1.1.11Основными и практически единственными производителями эталонных платиновых термометров сопротивления являются ВНИИМ им. Менделеева и Владимирский завод «Эталон». Ими выпускаются рабочие платиновые термометры с первого по третий разряд для диапазона измерений от

6

13,8К до 1085оС, в том числе капсульные термометры типа ТСПН для температур от 13,8 К до 100оС; стержневые платиновые термометры ПТС-10М, ЭТС-25, ЭТС-50 для диапазона от 13,8 К

(-259оС) до 660оС и высокотемпературные термометры сопротивления типа ВТС для диапазона 410…1085оС.

1.1.12 Эталонные термоэлектрические преобразователи типа ППО и ПРО выпускает Омский опытный завод «Эталон». Им также поставляется нулевой, паровой, регулируемый и сухоблочный термостаты для поверки рабочих термопреобразователей на температуры от 0 до 1200оС.

2 КЛАССИФИКАЦИЯ СРЕДСТВ ИЗИМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

2.1 Основные типы контактных термометров

Кроме задания реперных точек, определяемых с помощью эталона температуры, необходимо выбрать термодина-

мическое свойство вещества, зависящее от температуры

(признак температуры), которое должно быть достаточно легко воспроизводимых. Это позволяет набор температурных точек, промежуточных по отношению к реперным точкам.

Для числовой характеристики температуры необходимо выбрать признак изменения температуры, тоже достаточно легко воспроизводимый, позволяющий получить упорядоченный набор температурных чисел. Такими признаками могут быть, например: изменение объема, изменение электрического сопротивления, возникновение электрического тока и т.п. соответствующие этим признакам приборы для измерения температуры будут: газовый и жидкостной термометры, термометр сопротивления, термопара.

2.1.1 Газовые термометры

Газовые термометры используют для градуировки других видов термометров, например жидкостных, которые более

7

удобны на практике, однако шкала жидкостных термометров, проградуированных по газовым, оказывается неравномерной.

Газовые термометры имеет наибольшее значение среди первичных термометров. Их действие основано на уравнении состояния идеального газа. Они обеспечивает точность 2х10-3 К в интервале температур 2…400 К. Газовые термометры имеет то преимущество, что температура, определяемая с их помощью при малых плотностях газа, в широких пределах не зависит от природы используемого газа, а шкала газовых термометров хорошо совпадает с абсолютной шкалой температур.

2.1.2Акустические термометры

Вакустических термометрах также применяется газ, однако, при низких температурах (2…20 К) акустический термометр имеет точность на порядок меньшую, чем газовый.

2.1.3Шумовые термометры

Вкачестве первичного может применяться и термометр, основанный на измерении шумового напряжения на электрическом сопротивлении. Точность шумовых термометров обычно не превышает 0,1%, и их применяют при очень низких (ниже нескольких градусов Кельвина) или при высоких (свыше 1000 К) температурах, а также в условиях высокого радиационного фона, когда происходит сравнительно быстрое разрушение любого термометра.

2.1.4Магнитные термометры

Для измерения температур ниже нескольких градусов Кельвина часто применяют магнитные термометры, принцип действия которых основан на законе Кюри для идеального парамагнетика. К числу наиболее употребляемых парамагнитных материалов относятся церий - магниевый нитрат (0,006…3 К), а также медь и платина (10-6…0,1 К).

2.1.5 Жидкостные термометры

Жидкостные термометры - наиболее распространенные в практических измерениях вторичные термометры, принцип действия которых основан на изменении объема жидкости при изменении ее температуры. Ртутные термометры используют-

8

ся в диапазоне температур от –39оС до 600оС. при высоких температурах (свыше 300оС) в капилляр накачивают азот (давление до 107 Па), чтобы воспрепятствовать кипению ртути. Добавлением таллия нижнюю температуру, измеряемую ртутным термометром, можно понизить до –59оС. другими видами широко распространенных жидкостных термометров являются

спиртовой (диапазон измерений от –100 до 50оС) и пентановый (от –200 до 20оС).

2.1.6 Металлические термометры сопротивления (термопреобразователи сопротивления)

Измерение температуры основано на явлении роста сопротивления металла с ростом температуры. Для большинства металлов вблизи комнатной температуры эта зависимость близка к линейной, а температурный коэффициент сопротивления для чистых металлов имеет величину, близкую к 4х10-3 /оС. термометрическим признаком является электрическое сопротивление термометрического тела – металлического электрода. Чаще всего в качестве электродов используют платиновую или медную проволоку, а также различные сплавы платины или меди. Диапазон применения таких термометров – от 20 К до сотен Кельвинов. При низких температурах в металлических термометрах зависимость сопротивления от температуры становится существенно нелинейной и термометр требует калибровки.

2.1.7 Полупроводниковые термометры сопротивления (термисторы)

Измерения температуры основано на явлении уменьшения сопротивления полупроводников с ростом температуры. Так как температурный коэффициент сопротивления полупроводников по абсолютной величине может значительно превосходить соответствующий коэффициент металлов, то и чувствительность таких термометров может значительно превосходить чувствительность металлических термометров.

Специально изготовленные полупроводниковые термометры сопротивления могут быть использованы при низких

9

(гелиевых) температурах. Однако в обычных полупроводниковых сопротивлениях возникают дефекты, обусловленные воздействием низких температур, что приводит к отсутствию воспроизводимости результатов измерений. Чаще всего в качестве материала для термистора используют германий – для измерения температур ниже 100 К, и углерод (уголь) – 0,001…10 К.

2.1.8 Термопары (термоэлектрические преобразова-

тели)

Термопары представляет собой спай двух металлических термоэлектродов, находящихся в зоне измеряемой температуры, при этом другие концы термоэлектродов находятся при известной температуре. К свободным концам подключают измерительный прибор, образуя таким образом замкнутый электрический контур. Электродвижущая сила (термоЭДС), возникающая в таком контуре, зависит от разности температур – спая и свободных концов. Таким образом, термометрическим телом является спай двух металлов, а термометрическим признаком – возникающая в цепи термоЭДС.

Чувствительность термопар составляет от единиц до сотен мкВ/К, а диапазон измеряемых температур – от азотных до полутора тысяч градусов Цельсия (для термопар из благородных металлов). Наибольшее применение нашли следующие термопары: платино – родиевая, хромель – алюмелевая, хромель – копелевая, медь – константановая, иридие – родиевая.

Следует отметить, что термопары способна измерить только разность температур. Свободные концы находятся, как правило, при температуре помещения, в котором находится оператор. Поэтому для измерения температуры термопарами необходимо использовать дополнительный термометр для определения комнатной температуры или систему компенсации изменения температуры свободных концов.

2.2Основные типы бесконтактных термометров

Отемпературе нагретого тела можно судить на основании измерения параметров его теплового излучения, представ-

10