3 Анализ существующих методов и средств измерения температуры в процессе нагрева воздуха калориферной установки

Температура является одним из важнейших параметров техноло­гических процессов. Она обладает некоторыми принципиальными особенностями, что обусловливает необходимость применения боль­шого количества методов и технических средств для ее измерения.

Метод первый. Термоэлектрический.

Термоэлектрический метод измерения температур основан на строгой зависимости термоэлектродвижущей силы (термо-э. д. с.) термоэлектрического термометра от температуры.

Термоэлектрические термометры широко применяются для изме­рения температур до 2500°С в различных областях техники и в науч­ных исследованиях. Они могут использоваться для измерения тем­пературы от -200°С, но в области низких температур термоэлек­трические термометры получили меньшее распространение, чем термометры сопротивления, рассматриваемые в гл. 5. В области высоких температур (выше 1300—1600°С) термоэлектрические тер­мометры находят применение главным образом для кратковремен­ных измерений; для длительного же измерения высоких температур они применяются только в отдельных особых случаях.

Следует иметь в виду, что с ростом температуры возрастает влияние агрессивных свойств среды и продолжительность работы термоэлектрических термометров быстро снижается. Созданию надежных высокотемпературных термоэлектрических термометров для длительного применения уделяется в настоящее время боль­шое внимание как у нас, так и за границей.

Достоинства термоэлектрических термометров:

• достаточно высокая степень точности,

• возможность центра­лизации контроля температуры путем присоединения нескольких термоэлектрических термометров через переключатель к одному измерительному прибору,

• возможность автоматической записи измеряемой температуры с помощью самопишущего прибора,

• воз­можность раздельной градуировки измерительного прибора и тер­моэлектрического термометра.

Метод 2. Термометры сопротивления

Термометры сопротивления широко применяют для измерения температуры в интервале от —260 до 750°С. В отдельных случаях они могут быть использованы для измерения температур до 1000°С.

Для интервала от 0 до 630,5 ⁰C используется интерполяционная формула:

R_t = R₀(1+At+Bt²)

R_t – сопротивление термометра при температуре t, R₀ – сопротивление термометра при температуре 0 ⁰C

Действие термометров сопротивления основано на свойстве веще­ства изменять свое электрическое сопротивление с изменением тем­пературы. При измерении температуры термометр сопротивления погружают в среду, температуру которой необходимо определить. Зная зависимость сопротивления термометра от температуры, можно по изменению сопротивления термометра судить о температуре сре­ды, в которой он находится. При этом необходимо иметь в виду, что длина чувствительного элемента у большинства термометров сопро­тивления составляет несколько сантиметров, и поэтому при наличии температурных градиентов в среде термометром сопротивления измеряют некоторую среднюю температуру тех слоев среды, в кото­рых находится его чувствительный элемент.

Раньше считали, что наиболее подходящим материалом для изго­товления термометров сопротивления являются только чистые металлы. Однако исследования последнего времени показали, что ряд полупроводников так же могут быть использованы в качестве материала для изготовления термометров сопротивления.

Известно, что подавляющее большинство металлов имеет поло­жительный температурный коэффициент электрического сопротив­ления, достигающий 0,4—0,6%. °С^-1 для чистых металлов. Это свя­зывается с тем, что число носителей тока — электронов проводи­мости — в металлах очень велико и не зависит от температуры. Электрическое сопротивление металла увеличивается с повышением температуры в связи с возрастающим рассеянием электронов на неод­нородностях кристаллической решетки, обусловленным увеличением тепловых колебаний ионов около своих положений равновесия. В полупроводниках наблюдается иная картина — число электронов проводимости резко возрастает с увеличением температуры. Поэтому электрическое сопротивление типичных полупроводников столь же резко (обычно по экспоненциальному закону) уменьшается при их нагревании. При этом температурный коэффициент электрического сопротивления полупроводников на порядок выше, чем у чистых металлов.

Термометры сопротивления из чистых металлов, получившие наибольшее распространение, изготовляют обычно в виде обмотки из тонкой проволоки на специальном каркасе из изоляционного материала. Эту обмотку принято называть чувствительным элемен­том термометра сопротивления. В целях предохранения от возмож­ных механических повреждений и воздействия среды, температура которой измеряется термометром, чувствительный элемент его заклю­чают в специальную защитную гильзу.

Достоинства металлических термометров сопротивления:

• высокую степень точности измерения температуры;

• возможность выпуска измерительных приборов к ним со стандартной градуировкой шкалы практически на любой температурный интер­вал в пределах допустимых температур применения термометра сопротивления;

• возможность централизации контроля температуры путем присоединения нескольких взаимозаменяемых термометров сопротивления через переключатель к одному измерительному прибору;

• возможность использования их с информационно-вычис­лительными машинами.

Полупроводниковые термометры сопротивления, как показывает практика их применения, могут быть использованы для измерения температуры от 1,3 до 400 К. В практике технологического контроля они по сравнению с металлическими находят меньшее применение, так как требуют индивидуальной градуировки. Для точных измере­ний сопротивления термометров в лабораторных условиях приме­няют потенциометры и мосты. Тип и класс точности указанных средств измерения выбирают в зависимости от требований к точности измерения сопротивления термометра, а вместе с тем и температуры.

При измерении температуры в промышленных условиях термо­метры сопротивления применяют в комплекте с логометрами, авто­матическими уравновешенными мостами и автоматическими компен­сационными приборами. При этом необходимо иметь в виду, что эти приборы снабжают шкалой, отградуированной в градусах Цельсия, которая действительна только для определенной градуировки тер­мометра сопротивления и заданного значения сопротивления про­водов, соединяющих термометр с измерительным прибором.

Метод 3. Термопары.

Рисунок 3.1 - Схема включения измерительного прибора (a) и схема автокомпенсации температуры холодных спаев термопары (б)

На рисунке 4.1 (а) точка 1 - рабочий конец термопары, а точка 2 - свободный конец. Чтобы была однозначная связь температуры рабочего конца с термо-ЭДС необходимо поддерживать температуру свободных кон-то одинаковой и неизменной. Так как при изменении эта температура изменяется, то необходимо вводить поправку, что достигается примене­нием постовой электрической схемы и размещением одного из резисторов плеча моста R4 в овном месте со свободными концами термопары. При изменении температуры свободных концов за счет изменения сопротивления R4 нарушится баланс моста, возникнет раз­ность потенциалов, которая и скомпенсирует изменение напряжения на выходе термопары.

Метод 4. Контактный.

Рассмотренные выше контактные методы и средства измерения температуры широко применяются при контроле и автоматизации различных технологических процессов, а также при проведений исследований. Точность измерения температуры, так. же как и других величин, зависит от выбранного метода измерения, от мет­рологических и динамических характеристик средств измерения, от условий измерения и ряда других причин. Поэтому выбор метода и средств измерения температуры необходимо производить в зави­симости от поставленной задачи, требуемой точности и условий измерения.

Под средствами измерения температуры мы будем понимать жид­костные термометры, манометрические термометры и измерительные Комплекты, состоящие из термометров сопротивления или термо­электрических термометров с соответствующими вторичными при­борами, нормирующими преобразователями и другими измеритель­ными устройствами. При выборе средств измерения температуры необходимо иметь в виду не ту точность, которая свойственна им при работе в нормальных условиях, а ту точность, которую приборы могут обеспечить б данных эксплуатационных условиях.

Одновременно с выбором средств измерений в зависимости от их метрологических и динамических характеристик должен стоять вопрос о минимальном и максимальном значениях измеряемой тем­пературы, а следовательно, и о выборе шкалы прибора или диапа­зона преобразования нормирующего преобразователя. Это связано с тем, что допускаемые погрешности манометрических термометров, вторичных приборов и нормирующих преобразователей выражены в виде приведенных погрешностей в процентах от диапазона изме­рения (нормирующего значения). Вследствие этого для обеспечения наибольшей точности измерения желательно выбирать вторичный прибор по возможности с безнулевой шкалой, а нормирующий пре­образователь — с безнулевым диапазоном преобразования, кроме того, максимальная измеряемая температура должна быть близка к верхнему пределу измерения или диапазона преобразования.

Условия работы вторичных приборов, нормирующих преобразо­вателей и манометрических термометров бывают различны, а именно: при температуре выше или ниже нормальной области значений (например, 20 ± 5°С), при воздействии других влияющих величин, в местах, подверженных вибрации или с наличием внеш­них электрических и магнитных полей. Внешние условия, при кото­рых должны работать приборы, могут сильно влиять на точность измерения, что необходимо учитывать при выборе места их уста­новки.

Если вторичные приборы или нормирующие преобразователи работают при температуре окружающего воздуха ниже или выше нормальной области значений, то ввести поправку в их показания в большинстве случаев не представляется возможным. Это объясня­ется тем, что ни знак, ни числовое значение дополнительных погреш­ностей этих приборов, возникающих при отклонении влияющих величин от нормальных значений или нормальной области их зна­чений, нам не известны, так как они нормируются со знаками плюс и минус. В этом случае остается единственный путь - уве­личивать на соответствующее значение погрешность измерения. Следует также иметь в виду, что отклонение влияющих величин не должно превышать определенных — нормированных пределов расширенной области их значений, например, в эксплуа­тационных условиях температура среды, окружающей вторичные приборы, не должна быть ниже +5 или выше +50°С, среда не должна быть сильно запыленной и не должна разрушающе действо­вать на приборы. В противном случае необходимо применять спе­циальные защитные устройства или какие-либо другие меры, обес­печивающие удовлетворительные условия работы приборов. Если приборы монтируются на щитах управления, то последние должны устанавливаться в специальных помещениях. В тех случаях, когда приходится устанавливать приборы в таких местах, где вибрация неустранима, применяют амортизаторы или выбирают специальные приборы, если вторичный прибор устанавливается на амортизато­рах, то провода к нему должны подводиться при помощи гибкого шлангового соединения.

Точность измерения стационарных температур зависит не только от предела допускаемых основной и дополнительных погрешностей применяемых средств измерения, а в равной мере и от условий измерения, от выбранного места, способа установки термоприем­ника и ряда других причин. Это обусловлено тем, что при приме­нении контактных методов измерения температуры первичный преобразователь (термоприемник) находится в непосредственном контакте со средой, температура которой измеряется. В этих усло­виях термоприемник является для среды посторонним телом и в той или иной степени нарушает первоначальное температурное поле среды в месте его установки. Средства измерения темпера­туры, на каком бы принципе действия они ни были основаны, пока­зывают только собственную температуру термоприемника, или, точнее, температуру рабочей части (чувствительного элемента) термоприемника. При этом необходимо учитывать, что собствен­ная температура термоприемника по ряду причин может отличаться от действительной температуры среды. При измерении стационарных температур такими причинами являются теплообмен излучением между термоприемником и окружающими его телами, отвод или подвод тепла по термоприемнику вследствие теплопроводности, торможение потока газа и другие причины.

Систематические погрешности измерения стационарных темпе­ратур, обусловленные указанными причинами, относятся к мето­дическим погрешностям измерения. Для устранения или уменьше­ния методических погрешностей, происходящих вследствие тепло­обмена излучением и теплопроводности, необходимо прежде всего обеспечить рациональную и правильную установку термоприем­ника, а также осуществлять ряд других мероприятий, рассматри­ваемых ниже.

При измерении стационарных температур в каком-либо месте внутри или на поверхности твердого тела, а также жидкости или газа (пара), движущегося с небольшой (умеренной) скоростью, собственную температуру термоприемника принимают за действи­тельную температуру среды с некоторой методической погрешно­стью, если ею нельзя пренебречь.

При измерении температуры газовых потоков большой скорости собственная температура термо­приемника не равна действительной (термодинамической) темпера­туре движущегося газа.