1.3 Выбор элемента

В системе автоматизации производства аммиачной селитры целесообразно применить платиновый термометр сопротивления типа ТСП-8053.

Данный термометр обладает большим диапазоном измеряемых температур

от -50 до +400 ⁰С, устойчив к механическим погрешностям, защитный материал – сталь, малая масса, большой ресурс часов по работе, не менее – 25000.

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.

Термометры сопротивления изготавливают, как правило, из чистых металлов. При этом к металлам предъявляются следую­щие основные требования: стабильность градировочной харак­теристики и ее воспроизводимость, отсутствие гистерезиса, близкая к прямой характеристика. Наиболее полно указанным требованиям отвечает платина, медь, никель, железо, вольфрам.

Чувствительность термометра сопротивления - изменение его электрического сопротивления, приходящееся на 1°С или 1К.

Если сопротивление при температуре t₁ и t₂ определяется уравнениями:

R₁ =R₀(1 + at₁). (1.8)

R₂ =R₀(1 + at₂), (1.9)

изменение сопротивления при изменении температуры А_t=t₂-t₁ можно определить, вычитая уравнение (1.8) из (1.9):

(1.10)

Отсюда получаем выражение для определения чувствительности:

(1.11)

Учитывая, что сопротивление равно:

(1.42)

получим

(1.13)

Таким образом, для получения высокой чувствительности не­обходимо брать материал с высоким температурным коэффи­циентом. Проволока должна иметь минимальную толщину и максимальную длину,

Наиболее широко для изготовления термометров применяются медь и платина.

Медь является наиболее дешевым материалом. Ее характери­стика практически линейна:

R₁ =R₀(1 + at), (1.14)

где R₀ и R₁- сопротивления при температуре 0 и t°С.

Температур­ный коэффициент, а=4,28Ч10-³К-'.

Медь окисляется, поэтому она используется для измерения температуры до +200°С.

Номинальное сопротивление при 0°С составляет: 10, 50, 100 Ом. Им присвоены условные обозначения номинальных, статис­тических характеристик: ЮМ; 5ОМ и 100М. Номинальные ста­тистические характеристики преобразования медных термомет­ров приведены в таблице 1.6.

Они выпускаются II и III классов. Для термометров II класса основная погрешность составляет 0,3 или 0,5°С, а для III класса -1 или 2°С. Интервал измеряемых температур от -200 до +200°С.

Платина наиболее полно отвечает требованиям, указанным выше, хотя имеет нелинейную зависимость от температуры.

Для интервала температур от 0 до 630°С зависимость имеет вид:

(1.15)

а в интервале температур от -183 до 0°С:

(1.16)

Платиновые термометры имеют следующие сопротивления при 0°С: 1; 5; 10; 50; 100; 500 Ом.

Они имеют соответственно следующие обозначения: 1П; 5П; 10П; 50П; 100П; 500П. Они выпускаются I и II классов. Диапазон измерения может быть остаточно широк: от -260 до +1100°С.

В эксплуатации пока находятся термометры с другими значени­ями номинального сопротивления при 0°С. Платиновые: 10 Ом -градуировка 20; 46 Ом - градуировка 21,100 Ом - градуировка 22. Медные: 53 Ом - градуировка 23; 100 Ом - градуировка 24.

Для изготовления термометров сопротивления применяются также полупроводниковые материалы: германит, окислы меди, марганца, магния, титана и др.

Они обладают большим отрица­тельным температурным коэффициентом. Зависимость сопротив­ления от температуры описывается выражением:

(1.17)

Значение R₀ определяется при температуре 20°С. Значение ко­эффициента

В зависит от материала полупроводника.

Они имеют разброс характеристик, поэтому требует индиви­дуальной градуировки каждый отдельный термометр.

Устройство термометра.

Чувствительный элемент термометра состоит из проволоки, которая намотана на каркас из стекла, керамики, слюды или пла­стмассы. От чувствительного элемента идут выводы к зажимам головки термометра, откуда провода идут к измерительному при­бору.

Типичная конструкция платинового термометра сопротивле­ния приведена на рисунке 1.4.

Рисунок 1.5 Платиновый термометр

Чувствительный элемент представляет собой платиновую спи­раль 7 из тонкой проволоки, которая помещена в фарфоровую трубку 2. С торцов трубка закрыта пробками 3 и 4, Каналы труб­ки заполнены керамическим порошком 5. К концам спирали при­паяны выводные провода 6.

Чувствительный элемент вставлен в защитный чехол 7, вывод­ные провода изолированы защитными бусами 8 и 9. Свободное пространство заполнено окисью алюминия 10. С помощью сталь­ной втулки 11 защитный чехол соединен с водозащитной голов­кой 12 с уплотнением 13, крепление его осуществляется с помо­щью штуцера 14.

Технические данные и характеристики термопреобразователя типа ТСП-8053

1. Рабочий диапазон измеряемых температур от - 50 до + 400 ⁰С

2. Условное обозначение номинальной статической характеристики 50П

3. Класс допуска-В

4. Сопротивление при 0 ⁰С (R₀) при выпуске из производства 500,05

5. Отношение сопротивления при +100 ⁰С к сопротивлению при 0 ⁰С (W₁₀₀) при выпуске из производства 1,3910,00015

6. Предел допускаемого значения погрешности –1,26 … 1,78

7. Показатель тепловой инерции 7 с. в защитной гильзе 60 с

8. Устойчивость к механическим воздействиям – виброустойчивый

9. Материал защитной арматуры – сталь 08Х18Н10Т

10. Условное давление Р_у, МПа - 0,63

11. Длина монтажной части, мм – 80

12. Масса, кг – 0,32

13. Полный назначенный ресурс (до списания), ч, не менее - 25000

1.4 Модернизация датчика температуры

Основной путь модернизации оборудования это замена устаревшего оборудования на более новое или замена на оборудование с характеристиками выше чем у предыдущего. В нашем случае для проведения модернизации применим новый вид датчиков.

Рисунок 1.6 Внешний вид полупроводниковых термометров.

Такие термометры применяют для измерения низких темпе­ратур от 1,5 до 50 К.

Для работы в обычных условиях полупроводниковые термо­метры имеют более простую конструкцию, меньшую массу, длину монтажной части, большей ресурс работы.

Цилиндрические терморезисторы типов КМТ-1 и ММТ-1 (рис.1.6, а), предназначенные для работы в диапазоне темпера­тур 1 - 120°С и типов КМТ-4 и ММТ-4 (рис.1.6, б) с диапазоном температур 1 - 125°С. Шайбовые термометры типа ММТ-13 (рис.1.6, в) с диапазоном температур 1 - 125°С.

Рисунок 1.6 Германиевый полупроводниковый термометр

На рисунке 1.6 показана конструкция чувствительного элемента полупроводникового германиевого термометра. Он представля­ет собой медную гильзу1, которая заполнена гелием и закрыта герметичной пробкой 2.

Внутри гильзы находится монокристалл германия 3, к кото­рому подведены

четыре золотых проводника 4 и платиновые выводы 5. Кристалл изолирован пленкой 5.