Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Системы управления химико-технологическими процессами. Часть 1. Учебное пособие
.pdf
Манометрическая пружина может выполняется как в виде
одно - или многовитковой пружины, так и в виде сильфона. Термобаллоны обычно изготовляют из стали или латуни, обладающей высокой теплопроводностью, а капилляр - из медной или стальной
трубки с внутренним диаметром от 0,15 до 0,5 мм. Длина капилляра
может быть различной. Для защиты от механических повреждений
капилляр часто помещают в защитную оболочку из оцинкованного
стального провода.
Манометрическими термометрами можно измерять температу-
ру в интервале от минус 120 до 600 °С
Различают манометрические термометры следующих типов:
газовые, жидкостные и конденсационные. Устройство всех типов
манометрических термометров аналогично. Различие в рабочем веществе заполняющем термобаллон.
В газовых манометрических термометрах вся система запол-
нена инертным газом под некоторым начальным давлением. В качестве заполнителя термосистемы применяют азот, аргон, гелий.
Работа газового манометрического термометра основана на
законе Шарля, устанавливающего прямую зависимость между давлением и температурой идеального газа
Pt = P0 [1+β(t-t0)],
где β = 1/273,15 °С-1 - термический коэффициент расширения газа; t
- конечная температура; t0 - начальная температура.
Достоинством газовых манометрических термометров являет-
ся практически равномерная шкала прибора, а недостатком: сравнительно большая инерционность и большие размеры термобаллона.
В жидкостных манометрических термометрах, система за-
полнена жидкостью. В качестве манометрической жидкости в приборах этого типа применяются метиловый спирт, ксилол, толуол,
ртуть. Жидкостные манометрические термометры имеют также равномерную шкалу и значительно меньшие размеры термобаллона,
чем у газовых.
161
В конденсационных манометрических термометрах, тер-
мобаллон частично заполнен низкокипящей жидкостью, а остальное его пространство заполнено парами этой жидкости. В
конденсационных манометрических термометрах термосистемы
заполняют ацетоном, метилом хлористым, фреоном. Конденсационные манометрические термометры реализуют зависимость
упругости насыщенных паров низкокипящей жидкости от температуры. Поскольку эти зависимости для используемых жидкостей нелинейны, следовательно, и шкалы термометров неравномерны. Однако эти приборы обладают более высокой чувствительностью, чем газовые и жидкостные
Манометрические термометры бывают показывающими, са-
мопишущими и контактными. Основная погрешность манометрических термометров всех видов равна ±1,5 % от максимального значения шкалы при нормальных условиях. При отклонении условий от
нормальных возникают дополнительные погрешности, которые рассчитывают или компенсируют.
17.1.5. Термометры сопротивления
Измерение температуры термометром сопротивления основано
на свойстве проводников и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление при изменении температуры.
Электрическое сопротивление проводников и полупроводников
представляет собой некоторую функцию его температуры R = f(t).
Вид этой функции зависит от природы материала и определяется
экспериментально (путем градуировки термометра сопротивления).
При увеличении температуры сопротивление проводников возрастает, а полупроводников - снижается. Измеряя сопротивление нагретого проводника, можно определить температуру среды, где он находится.
Для изготовления чувствительных элементов серийных термосопротивлений (терморезистров) применяются чистые металлы, к которым предъявляются следующие требования:
− металл не должен окисляться или вступать в химические ре-
акции с измеряемой средой;
162
− температурный коэффициент электрического сопротивления
металла α должен быть достаточно большим и неизменным;
− функция R = f(t) должна быть линейной и однозначной;
− удельное электрическое сопротивление металла должно
быть достаточно большим.
Наиболее полно указанным требованиям отвечают: платина,
медь, никель, вольфрам.
Сопротивление платиновых терморезисторов в диапазоне тем-
ператур 0÷650 оС определяется выражением Rt = Rо (1+α·t+b·t2), где
Rо сопротивление при t=0 оС; a = 3,91·10-3 К-1; b = 5,78·10-7 К-1.
Медные сопротивления в диапазоне -50 °С ÷ 180 °С имеют линейную зависимость R(t) = Rо(1+α t), где α = 4,26·10-3 К-1. При температуре выше 200 °С медь окисляется.
В промышленных условиях наиболее широко применяются
медные - ТСМ и платиновые термометры сопротивления - ПТС
(ТСП), а также термосопротивления типов: ММТ-1, ММТ-4, ММТ-6
(медно-марганцевые); КМТ-1, КМТ-4 (кобальто-марганцевые).
Номинальные сопротивления ТСП от 1 до 500 Ом, ТСМ - от 10
до 100 Ом. Существует 5 классов точности ΔR/ Rо = 0,05 % для I
класса и 1 % для V класса.
Типичная конструкция терморезистивного датчика представлена на рис. 83.
Элементами конструкции являются: 1 - защитный кожух; 2 подложка, на которую нанесен измерительный элемент 3. Для увеличения теплопроводности и механической прочности пространство
между кожухом и чувствительным элементом заполнено порошком 4
из А1
2О3
.
Рис. 83. Конструкция термометра сопротивления
163
У ТСП (с номинальным сопротивление 1-200 Ом) защитный кожух оформлен в виде стальной (алюминевой) трубки с
глухим концом, в которую помещена подложка - основа из слюды
(керамики), на которую бифилярно наматывается платиновая проволока, диаметром 30 (67) мкм и длиной до 2 м. Сопротивление зависит от длины намотки. Это обкладывается слюдяной обкладкой,
обвязывается серебряной лентой. Пространство между защитным
чехлом и термометром герметизируется алюминиевыми опилками.
Выводы загерметизированы.
Конструкция высокоомных (200-500 Ом) платиновых термосопротивлений отличается тем, что платина сразу напыляется на фарфоровую пластину и покрывается защитным слоем (лак).
Термометры сопротивлений выпускаются со строго определенными значениями сопротивлений, соответствующими своим типам и
градуировкам. Пример типов градуировок платиновых термометров
сопротивлений (ТСП) представлен в табл. 5.
В термометрах сопротивления возникают погрешности из-за
нестабильности во времени Ro, α и перегрева из-за измерительного
тока.
Постоянные времени промышленных термосопротивлений находятся в диапазоне от единиц до десятков секунд. Одним из методов уменьшения постоянной времени является увеличение теплового
контакта. Поэтому существуют терморезисторы со стеклянной изоляцией, при этом роль защитной арматуры выполняет стекло, в которое запаивают без зазора терморезистор.
Также для улучшения динамических характеристик до единиц
миллисекунд в качестве термосопротивлений используют пленочные
поверхностные зонды. Эти датчики предназначены для измерения
температур на поверхностях (рис. 84).
Рис. 84. Поверхностный зонд
164
Таблица 5
Тип
термометра
ТСП
ТСП
ТСП
ТСП
ТСП
Градуиров-
ка
гр. 100П гр.
23
гр. 21
гр. 50М
гр. 100М
Номинальное
сопротивление
при
0 оС, Ом
10
53
46
100
100
Диапазон температур при длитель-
ном применении, °С
от до
0
-50
-200
-200
-50
650
180
650
650
180
Они наклеиваются на исследуемую поверхность и имеют постоянную времени 1 мс. Такой датчик чувствителен к деформациям
образца, поэтому при больших деформациях и малых изменениях
температур дает большую ошибку.
Другой разновидностью термометров сопротивления являются
полупроводниковые термодатчики. В качестве материала чувствительного элемента термометра сопротивления может использоваться
полупроводник.
Полупроводниковые термодатчики - это устройства, основой
которых является материал с проводимостью большей, чем у диэлектриков, и меньшей, чем у металлов.
Из полупроводниковых термодатчиков наибольшее распространение получили керамические датчики, получившие название
термисторов и позисторов. Они изготавливаются из смесей
поликристаллических полупроводниковых оксидов металлов (MgO,
MgAl2O3, МП
, Fe3O4, Cо2O3, NiO, ZnTiO4).
2О3
Порошки оксидов спекаются в форме под давлением и упрочняются посредством поверхностного обжига при температурах порядка 1000 °С в контролируемой атмосфере. Металлические выводы
припаиваются к двум точкам предварительно металлизированной
поверхности полупроводника. Чувствительный элемент может иметь
защитный корпус или капсулу.
Термисторы выпускаются в виде дисков, цилиндров, колец,
шариков. Высокие значения удельного сопротивления используемых
материалов позволяют получить необходимое сопротивление при
малых размерах (~1 мм). Вследствие этого термисторы позволяют
165
проводить измерения практически в точке и имеют малую теплоемкость, т. е. инерционность.
Температурный диапазон применения термисторов - от нескольких градусов Кельвина до 300 градусов Цельсия. Номинальные значения термисторов лежат в диапазоне от 100 до 300 Ом. Отклонение сопротивлений от номинальной величины составляет ±10 %, т. е. взаимозаменяемость посредственная.
Температурная характеристика термистора описывается выражением:
11
)
(
B
−⋅
TT
1
,)()(
eTRTR
⋅=
1
где T1- некоторая фиксированная температура в Кельвинах; T текущее значение температуры; B - константа в Кельвинах; R(T1) значение сопротивления термистора при температуре T1.
Температурный коэффициент термистора определяется, как:
dT
)(
TdR
B
−=⋅=α .
2
T
1
)(
TR
Значение коэффициента В для t = 25 °С в зависимости от материала находится в диапазоне от 2000 до 6000 К, а температурный
коэффициент α - в диапазоне от - 0,02 до - 0,06 К-1.
Из-за малых размеров сила тока, приводящая к перегреву на 1
°С, в 15 раз меньше, чем для проволочных сопротивлений.
На рис. 85, а показаны для сравнения зависимости R(Т) для термистора и медного сопротивления.
Позисторы имеют положительный температурный коэффициент. Материал позистора представляет собой композицию полупроводниковой и сегнетоэлектрической керамики. Его сопротивление
определяется в основном переходным сопротивлением границ зерен,
которое зависит от диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрической добавки. Основой промышленных позисторов служит титанат
бария с температурой фазового перехода-120 °С. Вид статической
характеристики позистора показан на рис. 85, б.
166
а б
Рис. 85. Зависимость сопротивления от температуры: а - термистора и мед-
ного сопротивления; б - позистора
В сегнетоэлектрическом состоянии (ниже точки Кюри - tк) сопротивление позистора изменяется незначительно (от Ro до Rк). При
превышении температуры Кюри сегнетоэлектрик переходит в параэлектрическое состояние, а сопротивление элемента в узком температурном диапазоне tк ÷ tпр возрастает на несколько порядков из-за того,
что на границах зерен образуется запирающий слой, в результате чего сопротивление растет по экспоненциальному закону.
При дальнейшем превышении температуры сопротивление
снова падает, как у термисторов. Рабочей областью позистора является область от t
до t
к
. Точку Кюри, а значит рабочий диапазон,
пр
можно сдвигать технологическим путем. Крутизна преобразования
позисторов оценивается величиной от 30 до 150 % на 1 °С и является самой большой для параметрических температурных датчиков.
Термометры сопротивления не показывают температуру. Они
являются первичными преобразователями. В качестве вторичных
приборов в комплекте с термометрами сопротивлений применяются
обычно уравновешенные мосты, реже - логометры и неуравновешенные мосты.
Принципиальная схема измерительного моста (мост Уитстона)
представлена на рис. 86.
167
Рис. 86. Схема лабораторного уравновешенного моста
(
)
⋅=+
Данная мостовая схема электрических сопротивлений была
предложена английским физиком Чарльзом Уитстоном в 1843 г.
Термометр сопротивления tR величина электрического со-
противления которого должна быть измерена, включается в одно
из плеч моста посредством соединительных: проводов, имеющих
сопротивление прR . Другие плечи моста состоят из постоянных ман-
ганиновых сопротивлений 1R и 2R и переменного калибровального
сопротивления - реохорда РR , выполненного также из манганина. К
одной диагонали моста (ас) подведено питание постоянного или пе-
ременного тока, а другую диагональ моста (bd) включен нуль-
гальванометр.
При равновесии моста, когда перемещением движка реохорда
добиваются отсутствия тока ( 0=
U ) через нуль-гальванометр (НП)
bd
выполняется равенство:
2 ,
RRRRR
pt
2пр1
откуда
R
2
R
R
1
2RR
−⋅= .
pt
пр
168
При изменении измеряемой температуры величина электриче-
(
)
ского сопротивления
R изменится, мост разбалансируется. Чтобы
t
восстановить равновесие, необходимо при постоянных сопротивлениях
R ,2R и
1
реохорда
ровать сопротивление
R соответственно изменить величину сопротивления
пр
R , переместив его движок. Таким образом, если откалиб-
Р
R по эталонным резисторам, то по положе-
Р
нию его движка при равновесии моста можно однозначно судить о
величине сопротивления
R , и, зная зависимость
t
tfRt= , об изме-
ряемой температуре.
Автоматические уравновешенные мосты для измерения сопротивлений используют двухпроводную или трехпроводную схему
подключения к термометру сопротивления.
Измерительная схема автоматического уравновешенного моста
переменного тока типа КСМ-4 с двухпроводной схемой подключения
к термометру сопротивления представлена на рис. 87.
Рис. 87. Двухпроводная схема подключения автоматического
уравновешенного моста
Мост состоит из четырёх плеч (c вершинами abcd), два из которых имеют постоянные сопротивления
R и 2R , а третье
1
R - сопро-
Н
169
тивление, предназначенное для подгонки нижнего предела измерения
′
′
⋅
⋅
прибора. В четвёртое плечо входит термометр сопротивления
две уравнительные катушки
имеется реохорд
R . Резистором
В
через реохорд
R с параллельно включенными резисторами шR и
P
R (шунт) ограничивают силу тока, протекающего
ш
R с целью уменьшения возможности подгорания
P
R и уR
у
(
R =уR
у
). В вершине d моста
R и
t
контакта в подвижной части реохорда (в точке d). Величиной рези-
стора
R определяют верхний предел
В
измерения прибора исходя из расчета приведенного сопротивления
RП:
RRR
R +
= .
П
Вшр
R
RRRRRR
⋅+⋅+⋅
н
шрВрВш
Для ограничения величины тока, последовательно с зажимами
питания измерительной схемы моста, включается сопротивление
R .
д
При изменении температуры среды сопротивление термометра
R изменяется и в диагонали моста между точками b и d возникает
t
ток небаланса. Последний подается на вход электронного усилителя
ЭУ, заменяющего в автоматических мостах нуль-гальванометр. Усиленный по напряжению и мощности, сигнал небаланса определенной
фазы поступает на реверсивный двигатель РД.
Вращаясь в ту или иную сторону (в зависимости от знака небаланса) реверсивный двигатель перемещает движок реохорда d и показывающую стрелку до тех пор, пока измерительный мост не придёт
в состояние равновесия, т. е. когда ток не станет меньше зоны нечувствительности усилителя (т. е. условно в диагонали bd ток будет отсутствовать).
Уравнение равновесия имеет вид:
R1∙Rп = R
.
(R4 + Rt + 2Rу).
2
На оси реохорда находится кулачок, по профилю которого
скользит рычажок, кинематически связанный тягами с записывающим пером, скользящим по диаграммной бумаге. Диаграммная
170
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]