Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Системы управления химико-технологическими процессами. Учебно-методическое пособие
.pdf
ния температуры и автоматической записи показаний. К недостаткам
1212
, tetettE
ABABAB
1212
, tetettE
ABABAB
Рис. 4.3. Термопара
манометрических термометров относятся: относительно невысокая
точность измерения (класс точности 1.6; 2.5; 4.0 и реже 1.0); небольшое
расстояние дистанционной передачи показаний (не более 60 метров) и
трудность ремонта при разгерметизации измерительной системы [1].
Все манометрические термометры отличаются простотой конструкции, возможностью дистанционной передачи показаний (либо
по капилляру, либо посредством унифицированного электрического
или пневматического сигнала). Основное достоинство этих термометров – возможность их использования на взрывоопасных объектах.
4.3. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ
Для измерения температуры в промышленности наиболее широкое распространение получили термоэлектрические термометры, работающие в интервале температур от –200 до +1700 оС и выше. Данный тип устройств характеризуют высокая точность и надежность,
возможность использования в системах автоматического контроля и
регулирования параметра, в значительной мере определяющего ход
технологического процесса.
Сущность термоэлектрического метода заключается в возникновении ЭДС в проводнике, концы которого имеют разную температуру. Для того чтобы измерить возникшую
ЭДС, ее сравнивают с ЭДС другого проводника, образующего с первым термоэлектрическую пару АВ (рис. 4.3), в цепи
которой потечет ток.
Результирующая термоЭДС цепи, состоящей из двух разных проводников А и В (однородных по длине),
равна
или
,
51
где
2
te
AB
1
te
AB
и
– разности потенциалов проводников А и В со-
ответственно при температурах t2 и t1, мВ.
ТермоЭДС данной пары зависит только от температуры t1 и t2 и
не зависит от размеров термоэлектродов (длины, диаметра), величин
теплопроводности и удельного электросопротивления.
Для увеличения чувствительности термоэлектрического термометра в ряде случаев применяют термобатарею: несколько последовательно включенных термопар, рабочие концы которых находятся при температуре t2, свободные при известной и постоянной температуре t1.
Устройство термоэлектрических термометров
Термоэлектрический термометр (ТТ) – это измерительный преобразователь, чувствительный элемент которого (термопара) расположен в специальной защитной арматуре, обеспечивающей защиту
термоэлектродов от механических повреждений и воздействия измеряемой среды. На рис. 4.4 показана конструкция технического ТТ.
Рис. 4.4. Термоэлектрический преобразователь:
1 – изолятор; 2, 3 – штуцер; 4 – головка; 5 – прокладка; 6 – крышка; 7 – контактная клемма;
8 – контакт для компенсационных проводов; 9 – компаунд; 10 – термоэлектрод;
11 – защитная гильза; 12 – горячий спай; 13 – керамический наконечник
Защитные чехлы выполняются из газонепроницаемых материалов, выдерживающих высокие температуры и агрессивное воздействие среды. При температурах до 1000 оС применяют металлические
чехлы из углеродистой или нержавеющей стали, при более высоких
температурах – керамические: фарфоровые, карбофраксовые, алундовые, из диборида циркония и т.п.
52
В качестве термоэлектродов используется проволока диаметром
0,5 мм (благородные металлы) и до 3 мм (неблагородные металлы).
Спай на рабочем конце 7 термопары образуется сваркой, пайкой или
скручиванием. Последний способ используется для вольфрамрениевых и вольфраммолибденовых термопар.
Термоэлектрические термометры выпускаются двух типов: погружаемые, поверхностные. Промышленные предприятия изготавливают устройства различных модификаций, отличающиеся по назначению условиям эксплуатации, по материалу защитного чехла, по
способу установки термометра в точке измерения, по герметичности
и защищенности от действия измеряемой среды, по устойчивости
воздействиям, по степени тепловой инерционности, механическим.
Стандартные и нестандартные термоэлектрические термометры
Для измерения в нефтехимии широко применяются ТТ со стандартной градуировкой: платинородий-платиновые (TПП), платинородий-платинородиевые (TПР), хромель-алюмелевые (ТХА), хромелькапелевые (ТXК), вольфрамний-вольфрам-рениевые (ТВР). В ряде
случаев используют также с нестандартной градуировкой: медьконстантановые, вольфраммолибденовые (ТВР) и др. На рис. 4.5 приведены градуировочные кривые ряда термопар.
Рис. 4.5. Градуировочные кривые различных термопар
53
В условиях длительной эксплуатации при высоких температурах
Тип термопары
Материалы термоэлектродов
Диапазон
измерений,
°С
Российское
обозначение
Международное
обозначение
положительного
отрицательного
ТХК
L
Хромель
Капель
–200–800
ТХА
K
Хромель
Алюмель
–200–1300
– E Хромель
Константан
−40–900
ТПП
S
Платинородий
(10 % Rh)
Платина
0–1600
ТПП
R
Платинородий
(13 % Rh)
Платина
0–1600
ТПР
B
Платинородий
(30 % Rh)
Платинородий
(6 % Rh)
600–1700
ТВР
A
Вольфрам-рений
(5 % Re)
Вольфрам-рений
(20 % Re)
0–2200
ТЖК
J
Железо
Константан
–200–750
– T Медь
Константан
−185–300
– N Нихросил
Нисил
0–1100
и агрессивном воздействии сред появляется нестабильность градуировочной характеристики, которая является следствием ряда причин:
загрязнения материалов термоэлектродов примесями из защитных
чехлов, керамических изоляторов и атмосферы печи; испарения одного из компонентов сплава; взаимной диффузии через спай. Величина
отклонения может быть значительной и резко увеличивается с ростом
температуры и длительностью эксплуатации. Указанные обстоятельства необходимо учитывать при оценке точности измерения температуры в производственных условиях [1] (табл. 4.1).
Таблица 4.1
Сравнительная таблица типов термопар
4.4. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ
Принцип действия термометров сопротивления (ТС), или терморезисторов, основан на свойстве металлов и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление с изменением температуры.
В качестве материалов для изготовления чувствительных элементов ТС используются чистые металлы: платина, медь, никель, железо
и полупроводники.
54
Основная характеристика ТС – температурный коэффициент со-
С
0
1
tR
RR
t
0
0
0
R
t
R
tRR
Тt
1
0
t
R
0
R
Т
00fR
2
0
1 ttRR
ТТt
t
R
0
R
Т
Т
противления (ТКС)
, представляющий собой относительное из-
менение сопротивления при изменении температуры на один градус.
где t – температура материала, оС;
и
– электросопротивление соответственно при 0 оС и тем-
пературе t, Ом.
Металлы имеют положительный ТКС, а полупроводники, как
правило, отрицательный.
ТКС полупроводников по модулю на порядок выше, чем у металлов.
Металлические ТС выполняются преимущественно из меди или
из платины.
Медь – один из недорогостоящих металлов, легко получаемых
в чистом виде. Медный ТС (ТСМ) имеет линейную зависимость сопротивления от температуры:
,
где
и
– сопротивления ТСМ при температуре t и при темпера-
туре 0 С;
– температурный коэффициент сопротивления ТСМ.
Диапазон рабочих температур – от минус 150 до плюс 350.
Платина является наилучшим материалом для ТС. Недостатком
платиновых ТС (ТСП) является нелинейность функции
, кото-
рая для области положительных температур может быть записана
в виде: αТ = 0,00391 град-1.
,
где
и
– сопротивления ТСП при температуре t и при температу-
ре 0 С;
Платиновые терморезисторы выполняются как проволочными,
так и тонкопленочными.
и
– температурные коэффициенты сопротивления ТСП.
55
Типы и конструкции ТС
TC, предназначенные для решения различных задач, делятся
на эталонные, образцовые и рабочие, которые в свою очередь подразделяются на лабораторные и технические.
Эталонные ТС предназначены для воспроизведения и передачи
шкалы МПТШ в интервале 13.81꞉903.89 К.
Технические ТС в зависимости от назначения и конструкции делятся на: погружаемые, поверхностные и комнатные; защищенные и
незащищенные от действия агрессивной среды; стационарные и переносные; термометры 1-го, 2-го и 3-го классов точности и т.д.
На рис. 4.6 представлена конструкция промышленного ТС с неподвижным штуцером.
Термометр состоит из чувствительного элемента 1, расположенного в защитном стальном чехле 3, на котором приварен штуцер 2
с резьбой М 27×2. Провода 4, армированные фарфоровыми бусами 6,
соединяют выводы чувствительного элемента с клеммной колодкой
5, находящейся в корпусе головки 7. Сверху головка закрыта крышкой 8, снизу имеется сальниковый ввод 9, через который осуществляется подвод монтажного кабеля 10. При измерении температуры сред
с высоким давлением на чехол ТС устанавливается специальная защитная (монтажная) гильза 12.
Рис. 4.6. Термометр сопротивления
56
Чувствительный элемент ТС выполнен из металлической тонкой
Тип термометра
сопротивления
Диапазон измерений, °С
Класс
точности AA
Класс
точности A
Класс
точности B
Класс
точности C
Платиновые
проволочный
–50–250
–100–450
–196–660
–196–660
Платиновые
пленочный
–50–150
–30–300
–50–500
–50–600
Медный
–
–50–120
–50–200
–180–200
Никелевый
– – –
–60–180
проволоки с безындукционной каркасной или бескаркасной намоткой.
Значительно реже в нефтехимической промышленности встречаются полупроводниковые термометры сопротивления (ТСПП) для
измерения температуры –90…+180 °C (табл. 4.2). Их применяют в
термореле, низкотемпературных регуляторах, обеспечивающих высокоточную стабилизацию чувствительных элементов газоанализаторов, хроматографов, корпусов пирометров, электродов термоэлектрических установок для экспресс-анализа состава металла и т.п. [1].
Таблица 4.2
Сравнительная таблица термометров сопротивления
4.5. БЕСКОНТАКТНОЕ ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ
Основные понятия и законы излучения
О температуре нагретого тела можно судить на основании измерения параметров его теплового излучения, представляющего собой
электромагнитные волны различной длины. Чем выше температура
тела, тем больше энергии оно излучает.
Термометры, действие которых основано на измерении теплового
излучения, называют пирометрами. Они позволяют контролировать
температуру от 100 до 6000 °С и выше. Одним из главных достоинств
данных устройств является отсутствие влияния измерителя на температурное поле нагретого тела, так как в процессе измерения они не
вступают в непосредственный контакт друг с другом. Поэтому данные методы получили название бесконтактных.
57
На основании законов излучения разработаны пирометры следу-
1
2
ющих типов:
1) пирометр суммарного излучения (ПСИ) – измеряется полная
энергия излучения;
2) пирометр частичного излучения (ПЧИ) – измеряется энергия
в ограниченном фильтром (или приемником) участке спектра, %;
3) пирометры спектрального отношения (ПСО) – измеряется от-
ношение энергии фиксированных участков спектра.
В зависимости от типа пирометра различаются радиационная, яркостная, цветовая температуры.
Радиационной температурой реального тела Тр называют температуру, при которой полная мощность АЧТ равна полной энергии излучения данного тела при действительной температуре ТД.
Яркостной температурой реального тела ТЯ называют температуру, при которой плотность потока спектрального излучения АЧТ равна плотности потока спектрального излучения реального тела для той
же длины волны (или узкого интервала спектра) при действительной
температуре ТД.
Цветовой температурой реального тела ТЦ называют температуру,
при которой отношение плотностей потоков излучения АЧТ для двух
длин волн
и
равно отношению плотностей потоков излучений ре-
ального тела для тех же длин волн при действительной температуре ТД.
4.6. ТЕРМОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СОПРОТИВЛЕНИЯ
ROSEMOUNT 0065
Термопреобразователь сопротивления типа Rosemount 0065
предназначен для измерения температуры жидких, газообразных,
твердых и сыпучих сред, неагрессивных к материалу корпуса.
Принцип измерения температуры при помощи ТС основан на за-
висимости сопротивления чувствительного элемента (ЧЭ) ТС от температуры измеряемой среды.
58
ТС состоят из измерительной вставки с одним или двумя тонко-
пленочными или проволочными платиновыми ЧЭ преобразователя,
соединительной головки (или без нее), удлинителя (или без него)
с различными видами присоединений к объектам измерений. Для измерения температуры при высоких давлениях и скоростях среды
предусмотрены защитные гильзы, конструкция которых зависит
от параметров измеряемой среды.
По способу контакта с измеряемой средой ТС соответствуют по-
гружаемому исполнению, по условиям эксплуатации – стационарному исполнению, по отношению к измеряемой среде – герметичные.
ТС имеют взрывозащищенное исполнение «Ех» температурного
класса Т6 по ГОСТ Р МЭК 60079–0 и могут применяться во взрывоопасных зонах.
ТС различаются по области применения и по конструктивному
исполнению защитной арматуры [11].
Технические характеристики
Тип Rosemount 0065.
НСХ Pt 100.
Взрывобезопасность Exia; Exd.
Измерительный преобразователь Rosemount 244Е.
Степень защиты соединительной головки IP65.
Устойчивость к вибрации FX.
Температура окружающей среды, С –40–85.
Относительная влажность воздуха при температуре 35 ℃ 99 %.
Температура измеряемой среды, ℃ –50–450.
4.7. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
ROSEMOUNT™ 214C
Лучший в своей области термоэлектрический преобразователь
Rosemount 214C обеспечивает стабильность и долговечность в самых
сложных условиях эксплуатации. Этот датчик может поставляться
с термопарами типа J, K и T и соответствует стандартам точности
59
ASTM и IEC. Датчик имеет повышенную устойчивость к вибрации,
широкий диапазон измеряемых температур и доступен в исполнении
как с одной, так и с двумя термопарами, как с заземленными, так и
с незаземленными спаями.
Термопары предназначены для измерения температуры жидких
и газообразных химически неагрессивных сред, а также агрессивных,
не разрушающих материал защитной арматуры во взрывоопасных зонах и помещениях, в которых могут содержаться аммиак, азотоводородная смесь, углекислый или природный газы.
Особенности и технические характеристики
Минимальное сопротивление изоляции составляет 1000 MОм при
измерении под напряжением 500 В постоянного тока при комнатной
температуре.
Взрывоопасная зона, полный перечень сертификатов доступен
в полной спецификации.
Провод 24 AWG с изоляцией из ФЭП. Цветовая кодировка
по IEC 60584 или ASTM E230.
Сенсоры включают термопары типа J, K и T, что обеспечивает
гибкость применения.
Соответствует стандартам ASTM и IEC, что гарантирует точ-
ность термопары и обеспечивает надежную работу.
Охватывает широкий диапазон температур от –196 до 1200 °C,
обеспечивая долговечность в различных технологических условиях.
Выдерживает высокую вибрацию, обеспечивая устойчивость
в сложных технологических условиях.
Доступны с одним или двумя чувствительными элементами с за-
земленными или незаземленными соединениями, что обеспечивает
технологическую совместимость [11].
Контрольные вопросы по материалу четвертой главы
1. Сформулируйте определение понятия «температура».
2. Какие виды температурных шкал существуют?
3. Перечислите средства измерения температуры и их классификацию.
60
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]