- •Технические измерения и приборы
- •Введение
- •Измеряемые и регулируемые величины
- •1. Государственная система приборов
- •1.1. Основные понятия и определения гсп
- •1.2. Принципы построения гсп
- •1.3. Классификация средств измерения и автоматизации гсп
- •1.3.1. Функциональные группы изделий гсп
- •1.3.2. Примеры агрегатных комплексов
- •1.4. Основные ветви системы
- •Контрольные вопросы
- •2. Общие характеристики средств измерения
- •2.1. Классификация средств измерения
- •2.1.1. Классификация компонентов измерительных устройств
- •2.2. Типовые структурные схемы измерительных устройств
- •2.2.1. Структурные схемы средств измерения неэлектрических величин
- •2.2.2. Структурные схемы измерительных систем
- •2.3. Статические характеристики и параметры измерительных устройств
- •2.4. Динамические характеристики измерительных устройств
- •2.5. Погрешности средств измерений
- •2.6. Нормирование метрологических характеристик средств измерений
- •2.6.1. Нормирование метрологических характеристик измерительных устройств
- •2.6.2. Нормирование метрологических характеристик измерительных систем
- •Контрольные вопросы
- •3. Измерительные информационные системы
- •3.1. Основные понятия об измерительных информационных системах
- •3.1.1. Поколения измерительных информационных систем
- •3.1.2. Классификация иис
- •3.1.3. Требования, предъявляемые к иис
- •3.1.4. Основные компоненты иис
- •3.2. Виды информационно-измерительных систем
- •3.2.1. Измерительные системы
- •3.2.1.1. Многоканальные ис
- •3.2.1.2. Сканирующие ис
- •3.2.1.3. Ис параллельно-последовательного действия (многоточечные)
- •3.2.2. Системы автоматического контроля
- •3.2.3. Системы технической диагностики
- •3.2.4. Система телеизмерения
- •3.2.5. Перспективы развития иис
- •Контрольные вопросы
- •4. Электрические измерения и приборы
- •4.1. Аналоговые средства измерений
- •4.1.1. Электромеханические приборы
- •4.1.1.1. Приборы магнитоэлектрической системы
- •4.1.1.2. Гальванометры
- •4.1.1.3. Приборы электромагнитной системы
- •4.1.2. Компенсаторы постоянного тока
- •4.1.3. Электронные аналоговые вольтметры
- •4.2. Цифровые электронные вольтметры
- •4.2.1. Цифровой вольтметр с глин
- •4.2.2. Времяимпульсный цифровой вольтметр двойного интегрирования
- •4.3. Измерение параметров элементов электрических цепей
- •4.3.1. Метод вольтметра-амперметра
- •4.3.2. Метод непосредственной оценки
- •4.3.2.1. Электромеханические омметры
- •4.3.2.2. Электронные омметры
- •4.3.3. Компенсационный метод измерения сопротивлений
- •4.3.4. Метод дискретного счета
- •4.4. Электронно-счетный частотомер
- •Контрольные вопросы
- •5. Передающие преобразователи неэлектрических величин
- •5.1. Дифференциально-трансформаторные преобразователи
- •5.2. Передающие преобразователи с магнитной компенсацией
- •5.3. Электросиловые преобразователи
- •5.4. Измерительные тензопреобразователи
- •Контрольные вопросы
- •6. Измерение температур
- •6.1. Практические температурные шкалы
- •Средства измерения температур
- •6.2. Термометры расширения
- •6.2.1. Стеклянные жидкостные термометры
- •Технические электроконтактные термометры
- •6.2.2. Манометрические термометры
- •6.2.2.1. Газовые манометрические термометры
- •6.2.2.2. Жидкостные манометрические термометры
- •6.2.2.3. Конденсационные манометрические термометры
- •6.3. Термоэлектрические термометры
- •6.3.1. Характеристики материалов для термоэлектрических преобразователей
- •6.3.2. Конструкция термоэлектрических термометров
- •6.3.3. Удлиняющие термоэлектродные провода
- •6.4. Термометры сопротивления
- •6.4.1. Медные термометры сопротивления
- •6.4.2. Никелевые термометры сопротивления
- •6.4.3. Платиновые термометры сопротивления
- •6.4.4. Неметаллические термометры сопротивления
- •6.4.5. Устройство термометров сопротивления
- •6.4.6. Способы подключения термометров сопротивления
- •6.4.6.1. Двухпроводная схема подключения
- •6.4.6.2. Трехпроводная схема подключения
- •6.4.6.3. Четырехпроводная схема подключения
- •6.5. Динамическая характеристика термопреобразователей
- •6.6. Промышленные термопреобразователи
- •6.6.1. Преобразователи термоэлектрические тха «Метран-201» и тхк «Метран-202»
- •6.6.2. Термопреобразователи сопротивления медные взрывозащищенные тсм «Метран-253» (50м) и тсм «Метран-254» (100м)
- •6.6.3. Термопреобразователи сопротивления платиновые тсп «Метран-245»; «Метран-246»
- •6.6.4. Термопреобразователи с унифицированным выходным сигналом тхау «Метран-271», тсму «Метран-274», тспу «Метран-276»
- •6.6.5. Термопреобразователи микропроцессорные тхау «Метран-271мп», тсму «Метран-274мп», тспу «Метран-276мп»
- •6.6.6. Интеллектуальные преобразователи температуры «Метран-281», «Метран-286»
- •Контрольные вопросы
- •7. Измерение давления
- •7.1. Классификация манометров
- •7.1.1. По виду измеряемого давления
- •7.1.2. По принципу преобразования измеряемого давления
- •7.2. Деформационные манометры
- •7.2.1. Трубчато-пружинные манометры
- •7.2.2. Электроконтактные манометры
- •7.2.3. Манометры с дтп
- •7.2.4. Манометры с компенсацией магнитных потоков
- •7.2.5. Преобразователи давления с силовой компенсацией
- •7.2.6. Сильфонные манометры и дифманометры
- •7.2.7. Мембранные манометры и дифманометры
- •7.3. Пьезоэлектрические манометры
- •7.4. Манометры с тензопреобразователями
- •7.5. Методика измерения давления и разности давлений
- •Контрольные вопросы
- •8. Измерение уровня
- •8.1. Уровнемеры с визуальным отсчетом
- •8.2. Гидростатические уровнемеры
- •8.3. Поплавковые и буйковые уровнемеры
- •8.4. Емкостные уровнемеры
- •8.5. Индуктивные уровнемеры
- •8.6. Ультразвуковые уровнемеры
- •Контрольные вопросы
- •9. Измерение расхода
- •9.3. Измерение расхода по переменному перепаду давления
- •9.3.1. Расходомеры с сужающими устройствами
- •9.3.2. Измерение расхода по переменному перепаду давления в осредняющей напорной трубке
- •9.4. Расходомеры постоянного перепада
- •9.4.1. Ротаметры
- •9.4.2. Тахометрические расходомеры
- •9.4.3. Электромагнитные расходомеры
- •9.9. Схема расходомера с электромагнитом
- •9.4.4. Ультразвуковые расходомеры
- •9.4.5. Вихревые расходомеры
- •9.4.6. Вихреакустические расходомеры
- •9.12. Схема проточной части расходомера «Метран 300 пр»
- •9.4.7. Массовые кориолисовые расходомеры и плотномеры
- •9.5. Обзор имеющихся расходомеров
- •Контрольные вопросы
- •10. Измерение положения, скорости, ускорения
- •10.2. Фотоэлектрические преобразователи положения
- •10.3. Кодовые датчики положения
- •10.4.3. Импульсные датчики скорости
- •10.5. Инерционные датчики ускорения, скорости, положения
- •Контрольные вопросы
- •11. Метрологическое обеспечение измерений
- •11.1. Передача размера единиц измерения
- •11.2. Регулировка, градуировка и поверка средств измерений
- •11.3. Метрологическое обеспечение средств измерений давления
- •Грузопоршневые манометры
- •Контрольные вопросы
- •Заключение
- •Список литературы
6.3.1. Характеристики материалов для термоэлектрических преобразователей
Два любых разнородных проводника могут образовать термоэлектрический термометр.
К материалам, используемым для изготовления термоэлектрических термометров, предъявляется целый ряд требований, которые делятся на обязательные и желательные.
Обязательные требования:
стабильность градуировочной характеристики;
воспроизводимость – для стандартных термометров.
Желательные требования:
жаростойкость или окалиностойкость;
жаропрочность, т.е. стойкость к механическим нагрузкам при повышенных температурах;
химическая стойкость;
однозначность;
линейность градуировочной характеристики.
Например, могут быть жаропрочные материалы, воспроизводимые с однозначной и линейной градуировочной характеристикой и высоким коэффициентом преобразования, но если градуировочная характеристика этих материалов нестабильна, то измерять таким термометром нельзя.
С другой стороны, материалы, имеющие низкий коэффициент преобразования, нелинейную градуировочную характеристику, но имеющие стабильную характеристику, используются для термоэлектрических термометров.
Межгосударственный стандарт ГОСТ 6616-94 «Преобразователи термоэлектрические. Общие технические условия» введен в действие в качестве государственного стандарта Российской Федерации с 1 января 1999 г. В стандарте нормализованы требования к двенадцати типам ТП, некоторые из них представлены в табл. 6.6.
Таблица 6.6. Основные типы термоэлектрических преобразователей (ГОСТ-6616-94)
Тип термопары |
Обозначение МЭК |
Букв. обозн. НСХ |
Химический состав термоэлектродов, мас. % |
Пределы измеряемых температур, °С |
|||
положительный |
отрицательный |
нижний |
верхний |
кратковременно |
|||
Медь – константановая ТМКн |
Cu–CuNi |
Т |
Cu |
Cu+ (40-45) Ni+ l,0Mn+0,7Fe |
–200 |
350 |
400 |
Хромель –копелевая ТХК |
– |
L |
Ni+ 9,5 Cr |
Cu+ (42-44) Ni+ +0,5Mn+0,lFe |
–200 |
600 |
800 |
Хромель – константановая ТХКн |
NiCr–CuNi |
Е |
Ni+ 9,5 Cr |
Cu+ (40-45) Ni+ +l,0Mn+0,7Fe |
–200 |
700 |
900 |
Железо – константановая ТЖК |
Fe-CuNi |
J |
Fe |
Cu+ (40-45) Ni+ +l,0Mn+0,7Fe |
–200 |
750 |
900 |
Хромель –алюмелевая ТХА |
NiCr-NiAl |
К |
Ni+ 9,5 Cr |
Ni+lSi+ +2Al+2,5Mn |
–200 |
1200 |
1300 |
Нихросил – нисиловая ТНН |
NiCrSi –NiSi |
N |
Ni+14,2Cr+ 1,4Si |
Ni+4,4Si+ +0,lMg |
–270 |
1200 |
1300 |
Платинородий – платиновые ТПП13, ТПП10 |
– |
R S |
Pt+13Rh Pt+l0Rh |
Pt Pt |
0 |
1300 |
1600 |
Платинородий – платинородиевая ТПР |
– |
В |
Pt+30Rh |
Pt+6Rh |
600 |
1700 |
– |
Вольфрамрений – вольфрамрениевые ТВР (А-1; А-2; А-3) |
– |
– |
W+5% Re |
W+20% Re |
0 |
2200 |
2500 |
Хромель-копелевые (ТХК) и хромель-алюмелевые (ТХА) – наиболее распространенные в России термоэлектрические преобразователи.
Преобразователь термоэлектрический хромель-копелевый (типа L) обладает наибольшей дифференциальной чувствительностью из всех промышленных термопар (около 70÷90 мкВ/С), применяется для точных измерений температуры, а также для измерений малых температурных разностей. Термопреобразователь обладает высокой термоэлектрической стабильностью при нагревах до 600 °С, обусловленной тем, что изменение термоЭДС хромелевого и копелевого термоэлектродов направлены в одну и ту же сторону и компенсируют друг друга. Технический ресурс термопар может составлять несколько десятков тысяч часов. Так, у термопар с диаметрами термоэлектродов от 0,5 до 3,2 мм при их выдержке в течение 10000 час. при 400…600 °С максимальные изменения градуировки составили 0,5…1 °С. К недостаткам ТХК можно отнести относительно высокую чувствительность к деформации.
Для термометров с термоэлектродами диаметром менее 1 мм верхний предел длительного применения менее 600 °C и составляет, например, для термоэлектродов диаметром 0,2¸0,3 мм только 400 °C. Верхний предел применения определяется стабильностью характеристик копелевого термоэлектрода.
Преобразователь термоэлектрический хромель-алюмелевый (тип К) является самым распространенным термопреобразователем в промышленности и научных исследованиях. Термопреобразователь предназначен для длительного измерения температуры до 1100 °С в окислительных и инертных средах. Термопреобразователь широко используется во всех отраслях промышленности в печах, нагревательных устройствах, энергосиловом оборудовании. Номинальная статическая характеристика ТХА близка к линейной, дифференциальная термоЭДС около 40 мкВ/°С во всем диапазоне измеряемых температур. Главное преимущество ТХА, по сравнению с другими термопарами из неблагородных металлов, состоит в значительно большей стойкости к окислению при высоких температурах. Технический ресурс термопар при температурах менее 850 °C ограничивается только дрейфом термоЭДС, т.к. жаростойкость хромеля и алюмеля позволяет использовать их при этих температурах десятки тысяч часов.
Термоэлектрод из никель-алюминиевой проволоки менее устойчив к окислению, чем никельхромовый. Верхние пределы применения зависят от диаметра термоэлектродов. Для термоэлектродов диаметром 3¸5 мм верхний предел длительного применения никельхром-никельалюминиевых термометров составляет 1000 °C, а для диаметра 0,2¸0,3 мм – не более 600 °C. Термометры типа К обладают самой высокой влагостойкостью.
К недостаткам ТХА относятся присущие ей два вида нестабильности термоЭДС: обратимая циклическая нестабильность и необратимая нестабильность, постепенно накапливающаяся со временем.
Учитывая вышеизложенное, применять один и тот же преобразователь ТХА во всем диапазоне измеряемых температур нецелесообразно, т.к. это ухудшает точность измерений. Термопарой, которую используют для точного измерения температур до 500 °C, не следует измерять более высокие температуры, и, наоборот, термопарой, использовавшейся при температурах выше 900 °C, нецелесообразно измерять температуры 300÷600 °C.
Все термоэлектрические термометры из неблагородных материалов хорошо стоят в инертной и восстановительной атмосфере, в окислительной атмосфере их срок службы ограничен.
Кроме того, термометры хромель-копелевые и хромель-алюмелевые отличаются достаточно высокой стабильностью и линейностью характеристики, в том числе при высокой интенсивности ионизирующих излучений. Они все же способны работать в окислительной среде, поскольку образуемая при нагреве тонкая защитная пленка препятствует проникновению кислорода внутрь металла.
Термопреобразователи вольфрамрений-вольфрамрениевые (ТВР) имеют самый высокий предел длительного применения до 2200 °С, но только в неокислительных средах, т.к. на воздухе уже при температуре 600 °С происходит очень быстрое окисление и разрушение термоэлектродов. Термопара устойчива в аргоне, гелии, сухом водороде и азоте, а также в вакууме. Основной недостаток – плохая воспроизводимость термоЭДС, вынуждающая группировать термоэлектродные пары по группам с номинальными статическими характеристиками А-1, А-2, А-3.
Термопреобразователи платинородий-платиновые и платинородий-платинородиевые (ТПП и ТПР) чаще всего используются в металлургическом производстве и при термообработке в диапазоне 1000÷1600 °С.
Модификация ТПП13 типа R широко применяется за рубежем. Термопары ТПП10 типа S используются также в качестве эталонных средств. Градуировочная характеристика термометров ТПП типа S не совпадает с градуировочной характеристикой ТПП типа R.
По совокупности свойств платина и платинородиевые сплавы являются уникальными материалами для термопар. Их основное свойство – хорошее сопротивление газовой коррозии, особенно на воздухе при высоких температурах. Указанное свойство в сочетании с высокой температурой плавления и достаточно большой термоЭДС, хорошей совместимостью со многими изолирующими и защитными материалами, а также с хорошей технологичностью и воспроизводимостью метрологических характеристик делает их незаменимыми при изготовлении электродов термопар для измерения высоких температур в окислительных средах. Эти сплавы устойчивы в аргоне и гелии, не растворяют азот и водород, не образуют нитридов и гидридов. Верхний температурный предел длительного применения термопары ТПП10 равен 1300 °С.
При температурах выше 1400 °С используется термопара ТПР с меньшей дифференциальной чувствительностью, но с пределом рабочих температур до 1600 °С (кратковременно до 1800 °С). Эта термопара механически более прочна, менее склонна к росту зерна и охрупчиванию, менее чувствительна к загрязнению. Кроме того, малая чувствительность термопары в диапазоне 0…100 °С делает возможным ее применение с медными удлинительными проводами и не требует термостатирования свободных концов, например, если температура свободных концов 70 °C и поправка на нее не вводится, то при температуре рабочего спая 1600 °C это вызовет погрешность около 2,1 °C. Градуировочная характеристика термометров типа В не совпадает с градуировочной характеристикой прежних моделей типа ПР.
Термометры ТПП и ТПР сохраняют стабильность градуировочной характеристики в окислительной и нейтральной средах. В восстановительной атмосфере эти термометры работать не могут, так как происходит существенное изменение термоЭДС термометра. Так же неблагоприятно воздействует на термометры контакт с углеродом, парами металлов, соединениями углерода и кремния, а также рядом других материалов, загрязняющих термоэлектроды.
Медь – константановые ТМКн типа Т и близкие к ним медь – копелевые и медь – медноникелевые термоэлектрические термометры применяются главным образом для измерения низких температур в промышленности и лабораторной практике. Применение этих термометров для температур менее 200 °C осложняется существенным уменьшением коэффициента преобразования с уменьшением температуры. При температурах свыше 400 °C начинается интенсивное окисление меди, что ограничивает применение термометров этих типов.
Железо-константановые типа J и близкие к ним железо-медноникелевые термоэлектрические термометры применяются в широком диапазоне температур от минус 200 до плюс 700 °C, а кратковременно до 900 °C. Они имеют достаточно большой коэффициент преобразования (около 55 мкВ/°C). Верхний предел измерения ограничен окислением железа и медноникелевого сплава.
Кроме стандартных термоэлектрических термометров находят применение в особых условиях нестандартные термоэлектрические термометры, которые либо не отвечают требованиям воспроизводимости, либо не имеют достаточно стабильную градуировочную характеристику. К ним относятся высокотемпературные термометры:
дисилицид молибдена – дисилицид вольфрама (MoSi2 – WSi2) для измерения температур агрессивных газовых сред и некоторых расплавов в интервале температур до 1700 °C;
углерод – борид циркония (С – ZrB2) для измерения температур жидких металлов до 1800 °C;
углерод – карбид титана (С – TiC) для измерения неокислительных газовых сред до 2500 °C;
карбид ниобия – карбид циркония (NbC – ZrC) для измерения в восстановительной и инертной среде или в вакууме до 3000 °C.
Для измерения низких температур (до минуса 270 °C) в промышленных установках применяют золотожелезо-никельхромовую (AuFe – NiCr) термопару, которая практически не изменяет своего коэффициента преобразования в интервале температур (минус 200÷270 °C).