курсовой проект / Система автоматизированного несвязного регулирования ректификационной колонны / ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИЗМЕРЕНИИ ТЕМПЕРАТУР

Рисунок 1.1 Классификация элемента автоматики

1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИЗМЕРЕНИИ ТЕМПЕРАТУР

Температура - один из важнейших параметров технологичес­ких процессов. При проектировании исходят из оптимальных значений двух параметров: температуры и КПД. С одной стороны, чем выше температура, выше снимаемая мощность и выше КПД. С другой - при повышенных температурах уменьшается ресурс работы оборудования. Значит, оборудование необходимо чаще менять, что приводит к экономическим издержкам. Поэтому вы­бирают оптимальные температуры, при которых выдается мак­симальную мощность, а оборудование работает с достаточной степенью надежности.

При эксплуатации температурный режим работы должен быть оптимальным. Отклонение от него уменьшает либо КПД, либо ресурс работы оборудования. Поэтому контроль тем­ператур является необходимым условием надежной и экономич­ной работы. При этом температурный режим должен поддерживаться с максимальной точностью.

Температура - термодинамическая величина, характеризую­щая состояние термодинамического равновесия макроскопичес­кой системы. Температура всего изолированного тока одинако­ва. Более высокой температурой обладают тела, у которых кине­тическая энергия атомов и молекул выше. Для представления уровня температур, при которых твердые вещества переходят в жидкие, приведены значения температур плавления металлов (таблица 1.1).

Таблица 1.1 Температуры плавления металлов.

Вещество	tпл, оС	Вещество	tпл, оС
Алюминий	660,0	Уран	1133
Железо	1535,0	Сталь	1400
Натрий	97,5	Сплав Вуда	65
Олово	235,0	Припой мягкий	Около180
Платина	1769,0	Припой твердый	Около 900
Ртуть	-38,9	Кварц	1700
Свинец	327

Если нагретое тело находится в контакте с телом, имеющем тем­пературу ниже, чем температура нагретого тела, то температура нагретого тела и тела, которое находится в контакте с ним, меняется от точке к точки. Это состояние характеризуется темпе­ратурным полем, которое характеризуется количеством теплоты, выделяемой или передаваемой в данном участке тела.

Теплота - количество энергии, которое получает или отдает тело в процессе теплообмена. Тепловая энергия передается бла­годаря соударениям молекул (микрофизическая форма передачи энергии). Макрофизическая форма передачи энергии (работа) -перемещение поршня в тепловой машине и другие перемещения. Единицей количества тепловой энергии (теплоты) является Джоуль, который равен работе силы 1Н при перемещении тела на 1 м. Единицей мощности является Ватт, который равен мощ­ности, при которой совершается работа I Дж за время 1 сек. Вт = Дж / сек.

Теплота, полученная телом, расходуется на повышение его температуры:

(1.1)

. где Q - энергия, полученная телом; G- масса тела; t₁,t₂ - конечная и начальная температуры тела, с - удельная теплоемкость веще­ства.

Теплоемкость - теплота, которая расходуется на повышение температуры тела.

Удельная теплоемкость - количество теплоты, необходимое для нагревания 1 кг массы вещества на 1°С или 1°К. Ее выража­ют в Джоулях на килограмм-Кельвин. В таблице 1.2 приведены значения удельной теплоемкости некоторых веществ.

Таблица 1.2 Значения удельной теплоемкости некоторых веществ.

Вещество	Теплоемкость
	10-2Дж/(кг.К )	кал/(г.К )
Алюминий	8,80	0,210
Вода	41,90	1,000
Кварц	8,40	0,020
Медь	3,80	0,091
Ртуть	1,30	0,033
Стекло	6,30	0,150
Сталь	4,60	0,110
Уран	1,13	0,027

Перенос теплоты путем непосредственного соприкосновения час­тиц тела, показывается теплопроводностью. Перенос теплоты про­исходит от более нагретых участков тела к менее нагретым в резуль­тате теплового движения и взаимодействия микрочастиц. Количество теплоты Q, которое проходит через стенку толщиной d равно;

(1.2)

где т ~ время, в течение которого проходит данное количество тепла, t₁,t₂- температуры стенок, F - площадь поверхности стен­ки, Я - коэффициент теплопроводности, который характеризует способность вещества проводить теплоту и измеряется в Вт/м-К,

В таблице 1.3 приведены значения коэффициентов теплопровод­ности некоторых материалов и значения плотности этих материа­лов. Приведены значения коэффициентов в системных и в несис­темных единицах: ккал/ч-м-К(килокалорий на час, метр, Кельвин) и кал/с-см'К (калорий на секунду, сантиметр, Кельвин).

Связь между размерностями характеризуется выражением:

1 ккал/м-ч-К= 1,16 Вт/м-К.

Таблица 1.3 Коэффициенты теплопровод­ности некоторых материалов

Материал	Плотность, кг/м3	Теплоемкость
		Вт/(м . К )	ккал/(ч . м . К)	кал/(с . см . К)
Медь	8,9 . 103	390,000	330,000	0,92
Алюминий	2,7 . 103	220,000	190,000	0,51
Графит	2,2 . 103	130,000	100,000	0,30
Латунь	8,6 . 103	110,000	94,000	0,26
Сталь	7,8 . 103	46,000	40,000	0,11
Уран	19,0 . 103	25,000	22,000	0,06
Ртуть	13,5 . 103	6,700	5,800	1,6 . 10-2
Стекло	2,6 . 103	0,840	0,700	2,0 . 10-3
Вода	1,0 . 103	0,630	0,540	1,5 . 10-3
Асбест	5,0 . 103	0,146	0,126	3,5 . 10-4
Стеклянная вата	16	0,035	0,030	8,3 . 10-5

Величина, характеризующая степень изменения температур­ного поля в точке пространства, называется градиентом темпе­ратурного поля. Зависимость плотности теплового потока g с градиентом температурного поля (grad t) характеризуется законом Фурье:

(1.3)

для равномерного теплового потока через пластину или стен­ку закон Фурье записывается в виде:

(1.4)

где t₁ и t₂ - температуры поверхностей слоя, х₁и х₂ - координаты поверхностей слоя.

Теплообмен между поверхностью тела и окружающей средой, называется теплоотдачей. Коэффициент теплоотдачи (теплообме­на) равен плотности теплового потока на поверхности раздела сред с разностью температур стенки tст и жидкости или газа t_ж:

g = а(t_сг-t_ж), (1.5)

где а - коэффициент теплоотдачи.

Температура - величина, характеризующая степень нагрева тела. Представление о температуре основано на теплообмене между двумя телами, находящимися в тепловом контакте.

Температура является параметром, характеризующим процесс теплообмена, теплопереноса. Измерить температуру тела непос­редственно нельзя. Ее значение можно определить по каким-то физическим параметрам тела, которые изменяются в зависимос­ти от температуры: электрическое сопротивление, термоэлектрод­вижущая сила, длина, объем и др.

Чтобы получить возможность количественного определения температуры, необходимо установить шкалу, т.е. выбрать на­чало отсчета и единицу измерения температурного интервала. Для разметки температурной шкалы чаще всего использовали объемное расширение тел при нагревании, а за постоянные точки принимали температуры кипения воды и таяния льда. На этом прин­ципе основаны температурные шкалы Фаренгейта, Реомюра, Цель­сия. Фаренгейт разработал температурную шкалу в 1714г. Самую низкую точку температурной шкалы он получил, смешивая лед, поваренную соль и нашатырь. Эта точка соответствовала 0°F.Смесь льда и воды давала вторую опорную точку - 32°Р. Точка кипе­ния воды соответствовала 212°F,

В 1940 г. во Франции стала употребляться шкала Реомюра. На ней точка замерзания воды была принята за 0°Р, а точка ки­пения воды за 80°Р.

В 1942 г, была принята шкала Цельсия, по которой точка за­мерзания воды принята за 0°С, а точка кипения за 100°С.

В 1948 г. Кельвин предложил новую термодинамическую шка­лу температур, которая не зависит от свойств материала термо­метра. Эта шкала называется абсолютной шкалой температур. В этой шкале только для одной точки нужно выбрать эталонное значение температуры. Все остальные значения определяются по термодинамическим отношениям.

Точка плавления льда зависит от давления, что вносит погреш­ность в измерение- В термодинамической шкале за опорную точ­ку выбирается, так называемая, тройная точка воды. Это - тем­пература, при которой находятся в равновесии лед, вода и водя­ной пар. Эта точка температуры может быть найдена с большей точностью, чем температура таяния льда, и не зависит от давле­ния, т.к. давление в тройной точке воды также имеет единствен­ное значение. Диаграмма состояния воды в координатах темпе­ратуры Т и давления Р показана на рис.1.2.

Кривая I (кривая таяния льда характеризует состояние равно­весия при имеющимся давлении) твердой и жидкой фаз. Каждая точка этой кривой определяет температуру таяния льда при дан­ном давлении. Кривая II (кривая давления пара) характеризует равновесие жидкой и газообразной фаз. Это - зависимость тем­пературы кипения воды от давления. Кривая III (криваясублимации возгонки) - кривая перехода воды из твердого состояния (льда) без водной фазы в газообразное (в пар).

Рисунок 1.2. Диаграмма тройной точки.

Тройной точке соответствует температура Т = 273,16 К и давле­ние Р = 609Па. Единица термодинамической температурной шка­лы - Кельвин была выбрана так, чтобы была преемственность со шкалой Цельсия. Кельвин как температурный интервал равен гра­дусу Цельсия. Следовательно, любой температурный интервал, выраженный в Кельвинах, числено равен тому же интервалу, выраженному в градусах Цельсия.

Таким образом, термодинамическая шкала строится на одной реперной точке - тройной точке воды. Нижним пределом шкалы - является абсолютный нуль. Исходя из этого, единица измере­ния температуры - Кельвин = 1/273,16 температурного интерва­ла между тройной точкой воды и 0° Кельвина. При этом той же величине равен и градус Цельсия.

Температура плавления льда, принятая за нуль шкалы Цель­сия, на 0,01 градуса ниже температуры тройной точки, следова­тельно, по термодинамической шкале температура плавления льда равна 273,15 К и нуль шкалы Цельсия равен 273,15 К, а точка 100°С соответствует точке 373,15 К. В дальнейшем с помощью газовых термометров была постро­ена Международная практическая температурная шкала (МПТШ), близкая к термодинамической шкале. Она была при-нята в 1927г.,затем уточнялась в 1948г., 1960г., 1968г. Было принято обозначать значение температуры в абсолютной термо­динамической шкале буквой Г, а температуру по шкале Цельсия - буквой г.

Средство измерения температуры, предназначенное для вы­работки сигнала в форме, удобной для передачи, обработки, вос­приятия и использования в автоматических системах контроля и управления, называется термометром.

Международная практическая температурная шкала (МПТШ-68) с учетом рекомендаций консультативного комитета по термометрии 1984 г, [19] основывается на 12 реперных точках (табл.1.4).

Интерполяционные приборы между реперными точками: в интервале температур от 13,81 до 903,89 К (630,74°С) - платино­вый термометр сопротивления; в интервале температур от 630,74° до 1064,43°С - термопара платинородий - платина; выше 1064,43°С температура экстраполируется с помощью монохроматического яркостного пирометра.

В зарубежной литературе можно встретить до сих пор значе­ния температур в градусах Фаренгейта. Перевод градусов шка­лы Фаренгейта в градусы шкалы Цельсия легко осуществляется с помощью выражения: 1°С = 5/9 (°F-32).

Средства измерения температуры по тепловому электромаг­нитному излучению называются пирометрами. Они применяют­ся для бесконтактного измерения температуры.

Приборы для измерения температуры в зависимости от исполь­зуемых ими физических свойств веществ разделяются на следую­щие группы: термометры

расширения, основанные на свойстве тел изменять под действием температуры свой объем;

манометрические термометры, основанные на принципе измене­ния давления жидкости, пара, газа под действием температуры;

—термометры сопротивления, основанные на свойстве проводников изменять их электрическое сопротивление под дей­ствием температуры;

—термоэлектрические термометры, основанные на свойстве разнородных металлов образовывать в паре (спае) термоэлект­родвижущую силу, зависящую от температуры спая;

—пирометры, основанные на принципе измерения излучае­мой нагретыми телами энергии, зависящей от температуры этих телидр.

Таблица 1.4 Международная практическая температурная шкала

Реперная точка	Принятое значение температуры		Оценка погрешности,оК
	оК	оС
Тройная точка равновесного водорода	1381,0000	( -259,3400)	±0,01
Точка кипения равновесного водорода при давлении 25/76 нормального(33,33 кПа)	17,0420	(-256,1080)	±0,01
Точка кипения равновесного водорода при нормальном давлении	20,2300	( -252,8700)	±0,01
Точка кипения неона	27,1020	( -246,0480)	±0,01
Тройная точка кислорода	54,3610	(-218,7890 )	±0,01
Точка кипения кислорода	90,1880	(-182,9620 )	±0,01
Тройная точка воды	273,1600	( 0,0100)	Точно по определению

Термометры расширения.

Для построения термометров расширения в качестве чувстви­тельных элементов используются жидкости и твердые тела. Первые называют жидкостными стеклянными термометрами, вторые - дилатометрическими.

Стеклянные жидкостные термометры.

В жидкостных термометрах в качестве рабочих веществ ис­пользуются ртуть и органические жидкости: этиловый спирт,

толуол и др.

Дилатометрические термометры

Принцип действия дилатометрических термометров основан на относительном удлинении двух твердых тел, имеющих различ­ные температурные коэффициенты линейного расширения, под действием температуры.

Выпускают два вида термометров: стержневые и пластинча­тые (биметаллические).

Стержневой термометр (рис.1.3,а) имеет закрытую с одного конца трубку 1, помещенную в измеряемую среду, в которую вставлен стержень 2, связанный с рычагом 3. Трубка выполнена из материала с большим коэффициентом линейного расширения, чем стержень. При измерении температуры трубка изменяет свою длину относительно длины стержня, что приводит к смещению стрелки прибора.

Пластинчатый термометр (рис.1.3, б) состоит из двух изогну­тых и спаянных между собой по краям металлических полосок 1 и 2 с различными коэффициентами расширения, один конец ко­торых закреплен, а другой связан с рычагом 3,

Рисунок 1.3 Принципиальные схемы дилатометрических термометров.

Рисунок 1.4 Дилатометрическое температурное реле.

При измерении температуры пластинки изменяют угол изги­ба и перемещают стрелку прибора.

На рис.1.4 приведено дилатометрическое реле температуры. Чувствительным элементом является трубка 1, которая поме­щается в контролируемую среду. Внутри трубки находится стержень 2, имеющий температурный коэффициент линейного расширения меньшей, чем у трубки. Он закреплен в штуцере 5 В головке реле 4 находится электроконтактное устройство с рычагом 5.

Манометрические термометры.

Принцип действия манометрических термометров основан на зависимости давления жидкости, газа или пара в замкнутом объе­ме от температуры.

В зависимости от вида рабочего вещества манометрические термометры разделяются на газовые, жидкостные и конденсаци­онные.

Газовые манометрические термометры предназначены для из­мерения температуры в диапазоне от -200 до +600°С. В качестве рабочего вещества применяют азот.

Термоэлектрические термометры.

Принципиальные основы термоэлектрических термометров.

Принцип действия термоэлектрических термометров основан на свойстве металлов и сплавов создавать термоэлектрическую силу (термо-ЭДС) от действия температуры в месте соединения (спая) концов двух разнородных проводников (термоэлектродов), образующих преобразователь – термопару.

Термометры сопротивления.

Принципиальные основы термометров сопротивления.

Принцип действия термометров сопротивления основан на способности различных материалов (в первую очередь металлов) изменять электрическое сопротивление с изменением температу­ры. Параметр, характеризующий изменение электрического со­противления с изменением температуры, называют температур­ным коэффициентом электрического сопротивления.

Нетрадиционные средства измерения температуры.

Кварцевые термометры.

Кварцевые термометры являются автогенераторными преобра­зователями с кварцевыми резонаторами с частотным выходом [20]. В большинстве случаев кварцевые термометры строятся на частоте 5-50 МГц, в некоторых случаях на частоте 0,5-1 Мгц.

Ультразвуковые термометры.

Принцип действия ультразвуковых термометров основан на зависимости скорости распространения ультразвука в газе, жид­костях и твердых телах от температуры. Чувствительный элемент выполнен в виде твердого тела, газообразного или жидкого ве­щества, заключенного в оболочку, с излучателем и приемником ультразвука. Особенностью ультразвуковых термометров явля­ется то, что в качестве термочувствительного элемента может быть использован непосредственно элемент конструкции иссле­дуемого объекта или исследуемой среды.

Термометры на основе диодов и транзисторов

Принцип работы термометров на основе диодов и транзисто­ров основан на зависимости сопротивления р-n перехода от температуры.

Исторически первым температурозависимым параметром был обратный ток диодов и транзисторов. Значение тока растет с тем­пературой по экспоненциальному закону со скоростью порядка 10% К-1. Однако диапазон температур, в пределах которых воз­можно использование обратных токов, весьма ограничен. Верхний температурный предел применения определяется температурой их теплового пробоя.

Измерение температуры по тепловому излучению.

Измерение температуры тел по тепловому излучению называ­ют методами пирометрии, а приборы - пирометрами. Пиромет­ры являются бесконтактными приборами. Они не искажают тем­пературное поле контролируемого объекта.

Для измерения яркостной температуры в видной области спек­тра применяются оптические пирометры или визуальные пиро­метры с "исчезающей" нитью.

Выбираем элемент для нашей системы.

Я пришел к выводу в данной части системы целесообразно применить платиновый термометр сопротивления типа ТСП-8053.

Принцип действия термометров сопротивления основан на способности различных материалов (в первую очередь металлов) изменять электрическое сопротивление с изменением температу­ры. Параметр, характеризующий изменение электрического со­противления с изменением температуры, называют температур­ным коэффициентом электрического сопротивления. Он может быть определен соотношением:

(1,6)

где R_t и R₀ - сопротивления при температуре t и 0°С.

Если температурный коэффициент зависит от температуры, он может быть определен для конкретного значения температу­ры соотношением:

(1.7)

Для чистых металлов температурный коэффициент находит­ся в пределах 0,0035-0,0065 К-1 Для полупроводниковых матери­алов он на порядок больше: 0,01 - 0,15 К-¹.