объем соответственно изменению объема жидкости. При этом давление зависит от жесткости пружины и для различных манометрических пружин может быть различным.

Вжидкостных манометрических термометрах погрешность, вызванная изменением барометрического давления, как правило, отсутствует, так как давление в системе значительно. Погрешность, вызываемая изменением температуры окружающей среды, имеет место и в жидкостных манометрических термометрах. Для

ееуменьшения применяют различные способы температурной компенсации.

Вжидкостных манометрических термометрах может иметь место гидростатическая погрешность, возникающая при различных уровнях расположения термобаллона и измерительного прибора. Для снижения возможных гидростатических погрешностей длину капилляра уменьшают до 10 м. Жидкостные термометры выпускаются показывающими класса 1 или 1,5.

Биметаллические термометры. Принцип их действия основан на том, что полоска из двух свальцованных друг с другом пластин из металлов с различными коэффициентами расширения (биметалл), искривляется при изменении температуры.

Искривление находится в приблизительной пропорции с температурой.

2.3. Термопреобразователи сопротивления

Термометром сопротивления называется комплект для измерения температуры, включающий термопреобразователь, основанный на зависимости электрического сопротивления от температуры, и вторичный прибор, показывающий значение

Рис. 3.4. Схема термометров сопротивления:

а – термопреобразователь с вторичным прибором; б – термопреобразователь с нормирующим преобразователем; ТС – термопреобразователь сопротивления; ВП, ВП1, ВП2 – вторичные приборы; ЛС – линии связи; НП – нормирующий преобразователь; БРТ – блок размножения токового сигнала

температуры в зависимости от измеряемого сопротивления. Простейший комплект термометра сопротивления (рис. 3.4, а) состоит из термопреобразователя сопротивления (ТС), вторичного прибора (ВП) для измерения сопротивления и соединительной линии (ЛС) между ними.

30

термоЭДС от температуры рабочего конца (т.е. измеряемой температуры) при определенном значении t0.

Термопара — это соединение двух разнородных проводников — электродов. Для практического использования термопары ее электроды должны быть изолированы и помещены в защитную арматуру. Такая конструкция называется термоэлектрическим преобразователем. По определению «термоэлектрический преобразователь» (ТЭП) — это термопреобразователь, действие которого основано на зависимости термоэлектродвижущей силы термопары от температуры.

Термопара является основным элементом средств измерения температуры — термоэлектрических преобразователей (ТЭП).

В соответствии с ГОСТ Р50431-92 ТЭП, имеющих следующие обозначения: ТВР(А) — вольфрамрений-вольфрамрениевые; ТПР(В) — платинородий платинородиевые;

ТПП(S, R) — платинородий платиновые; ТХА(К) — хромель-алюмелевые; TXK(L) — хромель-копелевые; ТХК(E) —хромель-константановые; THH(N) — никросил-нисиловые; ТМК(T) — медь-константановые; ТЖК(J) — железо-константановые.

Зависимость развиваемой термопреобразователем термоЭДС от температуры рабочего спая t при нулевой температуре свободных концов t0 = 0°С (т.е. E(t,0=f(t)) называется номинальной статической характеристикой преобразования (НСХ). Она задается в виде таблиц (градуировочных) или формул и обозначается условным символом в русском и международном обозначении.

Всоответствии с ГОСТ Р50431-92 в настоящее время для обозначения НСХ должны использоваться только латинские буквы (приведены в скобках).

Вобозначениях преобразователей первым указывается положительный электрод (например, у преобразователя ТХК положительный электрод — хромелевый, отрицательный — копелевый). На условных графических изображениях

положительный электрод обозначается тонкой линией, отрицательный — толстой.

На рис. 3.7, а приведены статические характеристики термопар ХА, ХК, ПП. Из графиков видно, что наибольшую термоЭДС развивает термопара ХК, наи-

Рис. 3.7. Номинальные статистические характеристики преобразователей (а), схема изготовления рабочего спая (б) и способы измерения температуры пластины (в)

32

меньшую (из этих трех) термопара ПП.

Поэтому при невысоких температурах целесообразнее использовать термопреобразователи типа ТХК.

Наиболее линейная характеристика у термопар ХА. Наиболее точной из этих трех является термопара ПП. Отклонения реальной градуировочной характеристики от номинальной определяются классом ТЭП.

Подключение к ТЭП удлиняющих проводов аналогично удлинению электродов, т.е. концы ТЭ-проводов становятся свободными, и их температура — той температурой t0 свободных концов, которая определяет действующую в цепи ЭДС E(t, t0),

Если к электродам подключены два одинаковых монтажных провода, то температурой свободных концов будет температура концов электродов термопары. Например, если на участке I (рис. 3.8, б) проложить удлиняющие провода, то

Рис. 3.8. График введения поправки на изменение температуры свободных концов (а) и схемы цепи термопары (б), характеристики термоэлектродных удлиняю-

щих проводов(в)

температура свободных концов будет равной 40 °С, если на участке I будут проложены два одинаковых монтажных провода, то температура свободных концов будет равной 30 °С.

Но что означает идентичность? Все ясно, если, например, у преобразователя ТХК хромелевый электрод удлинить проводом из хромеля, а копелевый — проводом из копеля. В этом случае по сути тем же материалом наращиваются электроды, т.е. удлиняется термопара. Но возможен и другой подход, в соответствии с которым: пара проводов может быть использована для удлинения термопары, если в паре между собой они имеют такую же градуировочную характеристику, что и удлиняемая термопара (в диапазоне возможного изменения температуры мест соединения). На рис. 3. изображена номинальная статическая (градуировочная) характеристика термопары ХА и аналогичные характеристики двух других термопар. Одна из них медь-константан (М) и другая — (МТ-НМ) составлена из электродов «медь + титан» — «никель + медь». У первой из них градуировочная характеристика совпадает с характеристикой термопары ХА в диапазоне (0...100) °С, а затем они расходятся. В соответствии с правилом пара проводов «медь + константан» (условное обозначение М) может быть использована в качестве удлиняющих для термопары ХА, если температура мест

33

соединения не будет превышать 100 °С. При этом медным проводом удлиняется хромелевый электрод, а константановым — алюмелевый. Пара проводов МТНМ также используется в качестве удлиняющих, но температурный диапазон (температура мест присоединения) применения расширяется до 300 °С.

Условно термоэлектрические преобразователи подразделяются на термопреобразователи общепромышленного назначения и специальные. Термоэлектрический преобразователь — это термопара с изолированными электродами, помещенными в защитную арматуру. Рассмотрим вначале первую группу. Существует большое разнообразие конструктивных исполнений преобразователей. На рис. 3.9 представлена схема устройства одной из разновидностей преобразователя общепромышленного назначения. Электроды 1 термопреобразователей ТХК и ТХА общепромышленного назначения обычно

Рис. 3.9. Конструкция термоэлектрического преобразователя общепромышленного назначения:

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

выполняются из проволоки диаметром, обеспечивающим пренебрежимо малое сопротивление термопары и достаточную механическую прочность. При этом можно не учитывать изменение сопротивления электродов при изменении температуры, что важно при использовании некоторых типов милливольтметров в качестве вторичных приборов. Рабочий спай 2 обычно выполняется сваркой.

Специальные термопреобразователи изготовляются на основе кабельных термопреобразователей типов КТХАС, КТХАСП, КТХКС. Они предназначены для измерения температуры от –50 до 1000 °С и в основном используются в реакторной термометрии. Кабельные термопреобразователи имеют наружный диаметр от 1 до 6 мм, длину от 10 до 50 м с числом жил 2 или 4 (одна жила или одна пара жил из хромеля, другая из копеля или алюмеля). Схематично устройство кабельного термопреобразователя с изолированным рабочим спаем представлено на рис. 3.10, а. Возможна конструкция термопреобразователей, у которых рабочий спай не изолирован от оболочки.

В кабельных преобразователях изоляция термоэлектродов осуществляется спрессованным порошком оксида магния. Существенным ее недостатком является гигроскопичность, причем с повышением влажности она набухает (может ра-

34

зорвать оболочку) и теряет изоляционные качества. Поэтому герметизация концов термопреобразователя с последующей проверкой ее качества обязательна. Материал оболочки — нержавеющая сталь. При малых диаметрах термопреобразователя электроды оказываются очень тонкими

Рис. 3.10. Конструкция термоэлектрического преобразователя специального применения:

а, б — одно- и многозонный преобразователи; 1 — рабочий спай; 2 — термоэлектроды; 3

— оболочка; 4 — втулка; 5 — герметик; б — выводы

(до 0,2 мм) и с большим погонным сопротивлением. Для повышения прочности и уменьшения сопротивления измерительной цепи во втулке 4 они наращиваются более толстыми проводниками того же материала, которые и являются выводами. Существуют преобразователи с утоненным или плоским рабочим участком.

Для измерения температуры в нескольких точках могут использоваться кабельные многозонные термопреобразователи (рис. 3.10, б). Такой преобразователь (ТЭП) имеет три или пять рабочих спаев при расстоянии между ними 1 или 1,5 м при общей длине 25 м и внешнем диаметре оболочки 3 или 6 мм. Число выводов ТЭП соответственно равно 4 или 6. Из рис. 3.10, б видно, что для измерения температуры в точке t1 прибор нужно подключить к выводам 1 и 4, а для измерения в точке t3 — к выводам 3 и 4. Все материалы и элементы многозонного ТЭП аналогичны однозонному (рис. 3.10, а). Достоинства такого ТЭП очевидны — возможность измерения температуры в нескольких точках в труднодоступных местах благодаря большой протяженности и малому диаметру при малом количестве металла, вводимого в контролируемую зону.

2.5. Методикаизмерениятемпературыконтактнымисредствами

Условием правильного измерения температуры является равенство температур термопреобразователя и измеряемой среды или измеряемого тела. Передача теплоты между телами или средами может происходить тремя способами — теплопроводностью, конвекцией и излучением. Анализируя условия измерения и условия теплообмена, можно оценить, отличается ли собственная температура термопреобразователя от температуры измеряемой среды, т.е. оценить погрешность измерения.

35

Погрешности, обусловленные теплообменом за счет теплопроводности

При измерении температур жидкости, газа или пара термопреобразователь устанавливается в трубопроводе, газоходе, в других местах технологического оборудования. При этом в общем случае имеет место сложный теплообмен между термопреобразователем, измеряемой и окружающей средами и частями технологического оборудования.

Если считать, что передача теплоты по термопреобразователю осуществляется только за счет теплопроводности, то можно оценить погрешность измерения для термопреобразователя, который представляет собой однородный стержень, заделанный одним концом в стенку трубопровода. Для такого полуограниченного стержня отклонение температуры термопреобразователя tТ от температуры измеряемой среды tС определяется уравнением

где tст — температура стенки трубопровода в месте заделки термопреобразователя (стержня) длиной l, °С, периметром Р, м сечением S, м2; αk – коэффициент конвективной теплоотдачи между измеряемой средой и термопреобразователем, Вт/(м2 · К); λ — коэффициент теплопроводности его чехла, Вт/(м · К).

Чем меньше теплоты будет передаваться через термопреобразователь, тем меньше будет погрешность, обусловленная теплообменом. Рассмотрим способы уменьшения этой погрешности, анализируя выражение (3.2). Увеличение длины l повышает термическое сопротивление и уменьшает погрешность. В связи с тем, что размеры трубопровода часто ограничены, то увеличивают длину термопреобразователя, устанавливая его наклонно (рис. 3.11, а), в колене трубопровода (рис. 3.11, б), либо в расширителе, представляющем вставку ограниченного участка трубы большего диаметра (рис. 3.11, в).

Увеличение конвективного коэффициента теплоотдачи αk уменьшает погрешность измерения. Однако увеличение αk за счет увеличения скорости потока не всегда может быть осуществлено на конкретном технологическом оборудовании. Иногда применяются специально изготовленные отсасывающие термопреобразователи. Измеряемый газ с большой скоростью просасывается через специальный керамический фильтр, омывая термопреобразователь. Все это расположено в водоохлаждаемом устройстве. Таким образом, с одной стороны, увеличивается ак, а с другой — уменьшается теплоотдача за счет излучения.

36

Поэтому все расчетные или экспериментально определенные численные значения динамических характеристик термопреобразователей будут справедливы только для данного термопреобразователя и конкретных условий теплообмена. Для характеристики динамических свойств термопреобразователей применяется показатель тепловой инерции е, значение которого дается в технической документации на термопреобразователи. В соответствии с ней для большинства последних е определяется при перемещении термопреобразователя из резервуара с водой температурой 20 °С в резервуар с водой температурой 80 °С. Временное изменение выходного сигнала преобразователя иллюстрирует график, представленный на рис. 3.12. В момент τ0 измеряемая температура среды tc меняется скачком, связанным с переносом термопреобразователя из одного резервуара в другой. Температура при этом меняется от tн до tк. Выходной сигнал термопреобразователя tт при этом отстает от измеряемой температуры и достигнет ее значения только через некоторое время t∞. В течение промежутка времени от τ0 до t∞ будет иметь место динамическая погрешность, равная t т – tс. Показатель тепловой инерции г определяется как время, в течение которого изменение tт от значения tн составит 0,63(tк - t н). Этот показатель у общепромышленных термопреобразователей в пределах 5…100 с. Значения более 30с относятся к термоэлектрическим преобразователям с изолированным спаем.

Рис. 3.12. Изменение выходного сигнала термопреобразователя

При установке термопреобразователей в трубопроводе середина его чувствительного элемента должна совпадать с осью трубопровода. Схема радиальной установки преобразователя представлена на рис. 3.13. Термопреобразователи могут устанавливаться наклонно навстречу потоку. При диаметре трубопровода менее 50 мм термопреобразователи устанавливают либо в колене трубопровода, либо в расширителе (см. рис.3.11). При измерении температуры газов из-за низких коэффициентов теплоотдачи возрастает роль лучистого теплообмена и связанных с ним погрешностей.

Для непрерывного измерения температуры поверхности используют промышленные поверхностные термопреобразователи, в обозначении присутствует буква П, например ТХАП. Установка таких термопреобразователей показана на

38

Измерение температуры поверхностей

Рис. 3.13. Установка термопреобразователя в трубопроводе:

1 — термопреобразователь; 2— головка; 3— штуцер для ввода проводов; 4 — бобышка; 5 — изоляция трубопровода; б— легкоснимаемый слой изоляции; 7 — прокладка; 8 — штуцер

Рис. 3.14. Варианты измерения температуры поверхности:

Спай изолированных эмалью термоэлектродов приварен: а — к поверхности; б — к контактной пластинке; в — спай изолированных бусами электродов зачеканен в отверстии, приваренной к поверхности пластины; г — промышленная поверхностная термопара закреплена с помощью приваренных прижимов; д — установка промышленного поверхностного термопреобразователя ТХАП

рис. 3.14, г, д. Термопреобразователь (рис. 3.14, г) прижат к поверхности специальными зажимами. Наличие изоляции трубопровода практически исключает отвод (или подвод) теплоты от места измерения и поэтому термопреобразователь не искажает температуры поверхности, а хороший тепловой контакт между термометром и поверхностью с помощью зажима обеспечивает равенство температур термометра и поверхности.

Измерение температур в энергетических реакторах

Одной из наиболее важных и самых теплонапряженных частей реактора являются тепловыделяющие элементы (твэлы). Так как в них расположено делящееся вещество, то они являются и самыми ответственными частями реактора. Допустимый уровень температуры топлива и оболочки определяется применяемыми материалами. Толщина оболочек — от 0,1 мм для стальных оболочек до 1 мм для циркониевых сплавов. Значения температуры в зависимости от вида реактора и его конструктивных особенностей составляют от 350 до 1200 °С. Занижение температуры оболочек относительно расчетной приводит к падению мощности реактора. Повышение температуры может вызвать разрушение оболочек и привести к аварийной ситуации. Поэтому измерение температуры оболочек твэлов является одной из важнейших задач измерения температуры в энергетических реакторах. Наиболее приемлемыми для этой цели являются кабельные термоэлектрические термопреобразователи (рис. 3.10), обладающие повышенной стойкостью к тепловым ударам, вибрации, механическим нагрузкам. Важными достоинствами кабельных термопреобразователей являются возможность по-

39