Что является чувствительным элементом термоэлектрического термометра

Термоэлектрические термометры

Термоэлектрический термометр включает в себя датчик (термоэлектрический преобразователь — термопара), канал связи (термоэлектродные провода), вторичный прибор (милливольтметр, потенциометр или контроллер).

Термоэлектрический преобразователь

Первичным преобразователем термоэлектрического термометра служит термопара, состоящая из двух разнородных проводников. Принцип действия термопары основан на термоэлектрическом эффекте (эффект Т.Й. Зеебека, 1821 г.), т.е. на возникновении в замкнутой цепи из двух разнородных проводников электрического тока в том случае, если места спаев имеют разную температуру [30]. Электродвижущая сила, обусловленная неодинаковыми температурами мест соединения t и /₀, называется термоЭДС, а создающий ее преобразователь — термоэлектрическим термометром (термопарой). Термопары обладают инерционностью порядка 1,5—8 мин. Достоинствами их являются простота конструкции и изготовления, отсутствие источника питания, дешевизна и возможность измерения высоких температур. Спай с температурой t называется горячим или рабочим, спай с температурой t₀ — холодным или свободным, а проводники АиВ — термоэлектродами (рис. 2.47, 2.48).

Термоэлектрический эффект объясняется наличием в металле свободных электронов, число которых в единице объема различно для разных металлов. В спае с температурой t электроны из металла А диффундируют в металл В, например, в большем количестве,

Термоэлектрическая цепь из двух разнородных проводников

Рис. 2.48. Типичный внешний вид термопреобразователя температуры чем обратно. Поэтому металл А заряжается положительно, а металл В отрицательно. Когда скорость диффузии электронов станет равной скорости их обратного перехода под влиянием установившегося электрического поля, наступает состояние подвижного равновесия. При таком состоянии между проводниками Ат В возникает разность потенциалов. Таким образом, термоЭДС (ТЭДС) является функцией двух переменных величин, т.е. E_AB(t, t₀). Поддерживая температуру спаев /₀ постоянной, получим

Это означает, что измерение температуры t сводится к определению ТЭДС температуры. ТЭДС не меняется от введения в цепь термопары третьего проводника, если температуры концов этого проводника одинаковы. Следовательно, в цепь термопары можно включать соединительные провода и измерительные приборы. Для измерения термоЭДС термоэлектрического термометра в его цепь необходимо включить измерительный прибор (ИП). Для этого необходимо разорвать термоэлектрическую цепь в спае /₀ (рис. 2.49).

Рис. 2.49. Схема включения третьего проводника:

(а) — термопара; (б) — цепь с третьим проводником, включенным в разрыв холодного спая; (в) — цепь с третьим проводником, включенным в разрыв термоэлектрода

В этом случае у термометра будет три конца: рабочий 1, погружаемый в среду, температура которой измеряется, и свободные концы 2 и 3, которые должны находиться при постоянной температуре (?₀ = const). Измерительный прибор можно также включать и в разрыв одного из электродов. Номинально приписываемая термопаре данного типа зависимость ТЭДС от температуры рабочего конца при постоянно заданной температуре свободных концов называется номинальной статической характеристикой (НСХ) преобразователя термопары.

Требования к материалу для изготовления

термоэлектрических преобразователей (термопар)

• 1. Постоянство ТЭДС во времени.
• 2. Устойчивость к воздействию высоких температур.
• 3. Возможно большая величина ТЭДС и однозначная зависимость ее от температуры.
• 4. Небольшой температурный коэффициент электрического сопротивления и большая электропроводность.
• 5. Воспроизводимость термоэлектрических свойств, обеспечивающих взаимозаменяемость термопар [35, 18].

Конструктивное оформление термопар

Конструктивное оформление термопар разнообразно и зависит главным образом от условий их применения. На рис. 2.50 показана термопара типичной конструкции.

Рис. 2.50. Термопара в защитной арматуре с передвижным фланцем:

• 1 — горячий спай термопары: 2 — фарфоровый наконечник: 3 — защитная трубка;
• 4 — фарфоровые бусы; 5 — передвижной фланец для крепления термопары:
• 6 — корпус головки: 7 — фарфоровая колодка; 8- винты для крепления колодки; 9 — зажимы; 10 — винты для крепления термоэлектродов в зажимах;
• 11 — винты для крепления проводов; 12 — крышка; 13 — прокладка;
• 14 — штуцер для вывода; 15 — асбестовый шнур; 1В — винт для цепочки

Как правило, горячий спай промышленных термопар изготовляется сваркой в пламени электрической дуги. Термопары платиновой группы свариваются без флюса, а остальные — под слоем флюса. Пайка применяется только при изготовлении нестандартных лабораторных термопар из очень тонких проволок. Независимо от конструкции термопара должна удовлетворять ряду требований. Изоляция термоэлектродов должна исключать возможность короткого замыкания и электрических утечек. Термоэлектроды должны быть защищены от механических повреждений и химического воздействия измеряемой среды. Термоэлектродные провода должны быть надежно подключены к термопаре. Для электрической изоляции термоэлектродов обычно применяют фарфор в виде коротких одноканальных или двухканальных трубок либо бус. Спай термопары остается голым и изолируется обычно фарфоровым наконечником, помещенным на дне защитной металлической трубки. Изолированные электроды промышленных термопар помещаются в защитную трубку для предохранения от механических повреждений и химического воздействия среды при высоких температурах.

Защитная трубка ввинчивается в головку термопары, внутри которой укреплены две клеммы, соединенные с электродами термопары. Клеммы служат для присоединения концов термоэлектродных проводов, для выхода которых головка термопары снабжена сбоку отверстием с коротким патрубком. Для агрессивных сред применяются защитные трубки из металлокерамики или стальные трубки, покрытые слоем тугоплавкой эмали. Холодные спаи каждой термопары укреплены под винтами фарфоровой контактной колодки. Соединительные провода выведены из арматуры термопары через специальные сальниковые уплотнения [30].

Виды стандартных термопар и диапазоны измеряемых температур

В соответствии с ГОСТ 6616—94 [4] известны следующие виды термопар (табл. 2.8).

Виды термопар

Буквенное обозначение НСХ*

Пределы измеряемых температур

Медь- константановая ТМКн

Хромель-копелевая

Хромель-константа- новая ТХКн

Железо-константано- вая ТЖКн

Нихросил — н иси л овая ТНН

Платинородий-платиновая ТПП13, ТПП10

* НСХ — номинальная статическая характеристика.

Термоэлектродные провода

Соединительные провода в данном случае предназначены для удаления холодных спаев термопары возможно дальше от объекта измерения, т.е. от зоны с меняющейся температурой. Соединительные провода должны быть термоэлектрически подобны термоэлектродам термопары; их целесообразно называть термоэлектродными проводами. Как правило, термоэлектродные провода и термоэлектроды термопар, изготовленных из неблагородных металлов, выполняются из одних и тех же материалов (удлинение термопары). Исключение составляет хромель-алюмелевая термопара, для которой с целью уменьшения сопротивления линии в качестве термоэлектродных проводов часто применяют медь в паре с константаном. Для платиноро- дий-платиновых термопар в качестве термоэлектродных проводов употребляется медь в паре с медноникелевым сплавом (99,4% Си + 0,6% Ni). Эти провода в паре между собой до 100°С развивают такую же ТЭДС, что и платинородий-платиновая термопара [30].

Способы компенсации изменения температуры

холодных спаев термопары

Правильное измерение температуры возможно лишь при постоянстве температуры холодных спаев /₀ (рис. 2.51). Это условие обес-

Рис. 2.51. Схема включения соединительных проводов

печивается с помощью соединительных проводов и специальных термостатирующих устройств.

Для правильного измерения температуры обязательно соблюдение равенства температур в точках 1 и 2 (см. рис. 2.51). Для этого точки 1 и 2 помещаются близко одна к другой в головке термопары. Как видно из рис. 2.51, холодные спаи /₀ удалены от головки термопары на длину термоэлектродных проводов, что обеспечивает тер- мостатирование холодных спаев. От термоэлектродных проводов до измерительного прибора 3 можно применять медные провода. Иногда на всем протяжении от термопары до измерительного прибора 3 применяют термоэлектродные провода, что облегчает введение поправки на температуру холодных спаев. Однако при этом надо учитывать, что термоэлектродные провода обладают относительно большим сопротивлением. Основные технические данные термоэлектродных проводов приводятся в специальной справочной литературе.

В лабораторных условиях температуру холодных спаев /₀ обычно поддерживают равной 0°С. В этом случае места спаев погружают в пробирки с маслом, которые помещают в сосуд Дьюара, наполненный тающим льдом. Холодные спаи могут находиться и при комнатной температуре, но тогда они должны быть погружены в сосуд с маслом, температура которого контролируется. Поправку на температуру холодных спаев вводят двумя способами: по градуировочной таблице или автоматически. В производственных условиях для автоматического введения поправки на температуру холодных спаев применяются мостовые электрические схемы [30].

Измерительные (вторичные) приборы, применяемые

в комплекте с термопарами для измерения температуры

Для измерения ТЭДС в комплектах термоэлектрических термометров применяют вторичные приборы: милливольтметры и потенциометры (той же градуировки, что и термопара). Милливольтметры — это магнитоэлектрические приборы. Их работа основана на взаимодействии проводника, по которому течет ток, и магнитного поля постоянного магнита. Милливольтметры делятся на переносные и стационарные. Принцип потенциометрического метода измерения основан на уравновешивании (компенсации) измеряемой ТЭДС известной разностью потенциалов, образованной вспомогательным источником тока. Потенциометры делятся на лабораторные, переносные и автоматические.

Принцип действия магнитоэлектрического милливольтметра

Магнитная система милливольтметра (рис. 2.52) состоит из подковообразного магнита, полюсных наконечников и цилиндрического сердечника /. В воздушном кольцевом зазоре между полюсными наконечниками и сердечником вращается рамка 2 из медного

Рис. 2.52. Схема измерительного механизма магнитоэлектрического милливольтметра

(реже — алюминиевого) провода. Чаще всего рамка крепится на кернах 5, которые опираются на подпятники 3 из агата или рубина. Момент, противодействующий вращению рамки, создается спиральными пружинами 4, которые одним концом крепятся к оси 5 и одновременно служат для подвода тока от термоэлектрического преобразователя к рамке. Зависимость угла (р поворота рамки, а значит и стрелки 7, от величины тока / (т.е. от величины температуры) может быть выражена приближенной формулой cp

С/, где С = const. Из формулы следует, что шкала милливольтметра 6 равномерна и чувствительность прибора одна и та же в любом месте шкалы. В приборах с рамкой на кернах необходимо учитывать момент трения в опорах, который вносит погрешность в результаты измерений и создает вариацию в показаниях прибора. Погрешности вызываются также неуравновешенностью подвижной системы, когда ее центр тяжести не совпадает с осью вращения.

Схема автоматического введения поправки на температуру

холодных спаев

Для исключения влияния отклонений температуры свободного спая термопары на показания вторичного прибора (милливольтметра) в замкнутый контур введен неуравновешенный (компенсационный) мост (рис. 2.53). Термопара 2 включается последовательно с неуравновешенным мостом, три плеча которого (R_v R₂ и R₂) выполнены из манганина, а четвертое (R₄) — медное. Материал манганин, в отличие от меди, не меняет своего сопротивления до температуры 100°С. Схема питается от стабилизированного источника питания. Добавочное сопротивление R_a служит для подгонки подаваемого на мост напряжения до нужного значения. От термопары до компенса-

Рис. 2.53. Электрическая схема автоматической компенсации температуры холодных спаев термопары: 1 — компенсационный мост; 2-термопара; 3 — милливольтметр; 4 — источник сетевого питания ционного моста прокладываются термоэлектродные провода, от моста до измерительного прибора — медные [30].

При градуировочной температуре (t₀ = 0°С) холодных спаев термопары мост находится в равновесии и разность потенциалов на вершинах моста cd (поправка) равна нулю.

При отклонении температуры холодных спаев от /₀ = 0°С меняется сопротивление R₄, вследствие чего нарушается равновесие моста и на его вершинах cd возникает разность потенциалов, которая равна по величине и противоположна по знаку изменению ТЭДС термопары, вызванному отклонением температуры ее холодных спаев от градуировочной. Эта поправка добавляется к базовой разности потенциалов, и милливольтметр показывает измеренную величину температуры.

Сущность компенсационного метода измерения ТЭДС

Потенциометры

Принцип потенциометрического метода измерения температуры основан на уравновешивании (компенсации) измеряемой ТЭДС известной разностью потенциалов, образованной вспомогательным источником тока. Принципиальная схема измерения ТЭДС термопары показана на рис. 2.54.

Ток от вспомогательного источника (сухого элемента) проходит по цепи, в которую между точками А и В включено сопротивление RAB в виде реохорда, который в данном случае представляет собой калиброванную проволоку. Разность потенциалов между точкой А и любой промежуточной точкой D (положение фиксируется движком) пропорциональна сопротивлению R_AD. Точка D выполнена в виде скользящего контакта (движок реохорда). Последовательно с термопарой включен чувствительный нуль-прибор (НП) с нулем в середине шкалы (индикатор наличия тока в цепи термопары). Пусть НП на нуле. Помещаем термопару в измеряемую среду. Стрелка НП, естественно, отклоняется от нуля. Передвигая контакт (D) по сопротивлению RAR, можно найти положение, при котором ток в цепи термопары равен нулю, т.е. стрелка НП будет стоять на нулевом делении шкалы, а контакт реохорда (D) будет в новом положении. Следовательно, ТЭДС термопары (а значит, и измеряемая температура) определяется известной величиной падения напряжения на участке сопротивления R_AD.

Измерение ТЭДС компенсационным методом зависит от постоянства тока в цепи реохорда. Схема такого потенциометра показана на рис. 2.55 [35, 18]. В схеме к цепи источника и цепи термопары добавляется цепь нормального элемента, в которую входит нормальный элемент (НЭ), сопротивление R_H3 и нуль-прибор НП

Рис. 2.54. Принципиальная схема потенциометра

(рис. 2.55). В начале переключатель П переводят на контакт К, включая НП в цепь НЭ и одновременно разрывая цепь термопары. Нуль-прибор, естественно, отклонился от нуля. Реостатом R_b, добиваются такого положения, при котором стрелка НП устанавливается на нуле шкалы. Итак, пришли к исходной точке отсчета.

Для измерения ТЭДС термопары переключатель П переводят на контакт И, подключая тем самым термопару последовательно с НП

Рис. 2.55. Принципиальная схема потенциометра с постоянной силой тока в компенсационной цепи к измерительному сопротивлению в точке b и к скользящему контакту D. Естественно, что НП выйдет из нуля. Перемещая контакт D, находим такое положение, при котором НП покажет нуль, т.е. разность потенциалов между точками ЬД равна ТЭДС термопары. Нашли ТЭДС, значит, нашли величину измеренной температуры. Измерение ТЭДС компенсационным методом осуществляется при отсутствии тока в цепи термопары, поэтому сопротивление цепи (термопары, соединительных проводов, НП), а следовательно, и его зависимость от температуры не влияет на точность измерения. Это свойство является одним из существенных преимуществ компенсационного метода измерения [35].

Функциональная схема автоматического электронного

потенциометра

Если в рассмотренных выше потенциометрах небалансный ток измерительной цепи потенциометра вызывает отклонение стрелки нулевого прибора, то в автоматических потенциометрах нулевой прибор отсутствует. Он заменен электронным нуль-индикатором. Автоматические электронные потенциометры, кроме измерения температуры, могут быть использованы и для автоматического ее регулирования. В этом случае они снабжаются дополнительным регулирующим устройством. Кроме того, на базе автоматических потенциометров созданы вторичные приборы, которые в комплекте с соответствующими преобразователями используются для измерения других неэлектрических величин (давления, расхода, уровня, концентрации и др.). Автоматические потенциометры работают в комплекте с одной из стандартных термопар или с радиационным пирометром. Шкалы их практически равномерны. Различные модификации автоматических потенциометров, отличающиеся один от другого наличием или отсутствием определенных узлов, работают одинаково. Измерительные схемы всех автоматических потенциометров предусматривают автоматическое введение поправки на температуру холодных спаев термопары. С этой целью они выполняются в виде неуравновешенного моста. Все сопротивления измерительной схемы (рис. 2.56), кроме R_K, выполняются из манганина; сопротивление R_K — из меди или никеля. Цепь источника тока состоит из двух ветвей: рабочей, в которую включен реохорд R , и вспомогательной, состоящей из двух сопротивлений i?_H3 и К_к. Наличие вспомогательной ветви позволяет автоматически ввести поправку на температуру холодных спаев термопары. Сопротивление Rk и холодные спаи термопары должны находиться при одинаковой температуре. В приборе сопротивление R_K располагается недалеко от места подключения термопары. Измеряемая ТЭДС термопары компенсируется падением напряжения на сопротивлении R_p, зависящим от положения движка реохорда, и сопротивлениях R_H3 и R_K. Повышение температуры холодных спаев вызывает уменьшение ТЭДС термопары на величину Е (/₀7₀). При этом падение напряжения на сопротивлении R_K одновременно возрастает; тогда получаем равенство

Чтобы движок реохорда сохранял свое прежнее положение и потенциометр показывал измеряемую температуру, необходимо обеспечить равенство

Если ТЭДС термопары Е (tt₀) не равна падению напряжения U_bd, то напряжение небаланса (Е (tt₀) — U_bd) подается на зажимы преобразовательного каскада, входящего в электронный усилитель ЭУ. В преобразовательном каскаде постоянное напряжение небаланса преобразуется в переменное, которое затем усиливается по напряжению и мощности до значения, достаточного для вращения реверсивного двигателя РД, который, вращаясь по часовой стрелке или против нее в зависимости от знака разбаланса, передвигает движок реохорда и восстанавливает равновесие измерительной схемы. Одновременно двигатель РД перемещает показывающую стрелку. При равновесии измерительной схемы, когда Е (Щ) = U_bd, ротор реверсивного двигателя не вращается, так как на вход преобразовательного каскада напряжение не подается. Для установки рабочего тока /, переключатель П, нормально находящийся в положении И (измерение), переводится в положение К (контроль). При этом одновременно устанавливается кинематическая связь реверсивного двигателя с движком реостата R_Q и подключается электронный усилитель к цепи нормального элемента (НЭ). Если падение напряжения не равно ЭДС нормального элемента, то электронный усилитель, так же как и при измерении ТЭДС термопары, получает сигнал, равный разности между ЭДС нормального элемента и падением напряжения на сопротивлении R_H3. Реверсивный двигатель, вращаясь по часовой стрелке или против нее, в зависимости от знака разбаланса, передвигает движок реостата R₆, меняя величину питающего напряжения. В момент равновесия, когда 1 = Е нэ/ К нэ> на электронный усилитель сигнал не подается и реверсивный двигатель останавливается. В этот момент устанавливается вполне определенное значение рабочего тока /₂. В автоматических потенциометрах применяются усилители переменного тока, которые значительно проще, дешевле и надежнее усилителей постоянного тока. Для преобразования постоянного напряжения разбаланса измерительной схемы в переменное напряжение частотой 50 Гц служит преобразовательный каскад [35, 18].

Рис. 2.5В. Принципиальная схема электронного автоматического потенциометра

Достоинства термоэлектрических термометров

• 1. Достаточно высокая точность измерения температуры.
• 2. Возможность централизованного дистанционного контроля температуры путем соединения нескольких термометров через переключатель к одному вторичному прибору.
• 3. Возможность автоматической записи измеряемой температуры с помощью самопишущего прибора.
• 4. Достаточно широкий диапазон измеряемых температур (минус 200—2500°С).

Средства измерения температуры со встроенными

микропроцессорами

Термопреобразователи со встроенными микропроцессорами позволяют получать на выходе унифицированный сигнал 0—5, 0—20, 4—20 мА; 0—10 В. В таком случае необходимость использования нормирующего преобразователя в виде отдельного блока отпадает. Термопреобразователи сопротивления и термоэлектрические преобразователи с выходным унифицированным сигналом имеют в своем обозначении букву «У» (например, ТСПУ, ТСМУ, ТХАУ) [40]. Микропроцессоры размещаются в головке термопреобразователя. Структурная схема измерительного преобразователя температуры SITRANS TK-L для термометра сопротивления ТС (PtlOO) представлена на рис. 2.57.

Термометр сопротивления (ТС) подключен к преобразователю по четырехпроводной схеме. Сигнал от ТС, усиленный в усилителе У, поступает на аналого-цифровой преобразователь АЦП, а затем на

Рис. 2.57. Структурная схема измерительного преобразователя температуры SITRANS TK-L

микропроцессор МП и цифроаналоговый преобразователь ЦАП. В микропроцессоре производится усреднение измеряемого сигнала, линеаризация, пересчет в соответствии с заданным диапазоном и пр. По двухпроводной линии передается выходной сигнал 4—20 мА и питание от внешнего источника. Диапазон измерения преобразователя составляет минус 200—850°С, при погрешности ± 0,1% диапазона измерения. Фирма Siemens помимо этих преобразователей выпускает SITRANS ТЗ К-РА, SITRANS ТК/ТК-Н, SITRANS TF. Первый тип преобразователей имеет цифровой интерфейс PROFIBUS-PA, два других при выходном сигнале 4—20 мА работают с /ИЯГ-модемами; последний имеет, кроме того, встроенный цифровой индикатор [40]. В интеллектуальных нормирующих преобразователях для линеаризации характеристики ТС, усреднения, установления диапазона измерения, диагностики состояния также используются микропроцессоры. Универсальные измерительные преобразователи SITRANS Т, структурная схема которых представлена на рис. 2.58, могут работать как с ТС, так и с термоэлектрическими преобразователями (ТЭП) [40].

Стабилизированный ток для питания ТС подается от источника тока ИТ. Сигнал термопреобразователя после мультиплексора (переключателя) М поступает на усилитель У, аналого-цифровой преобразователь АЦП и микропроцессор МП. Его импульсный выходной сигнал со скважностью, пропорциональной измеряемому сигналу, проходит через цепь гальванического разделения ГР и цифроаналоговый преобразователь ЦАП. При выходном токе 4—20 мА преобразователь подключается к внешней цепи по двухпроводной линии и по четырехпроводной при токе 0—5; 0—20 мА [40]. В последнем случае два провода используются для подключения внешнего источника питания. Устройство сигнализации отклонения измеряемой величины УСг может быть релейным или электронным. При нормальной работе светодиод СД горит ровным светом, а при нарушениях — мигаю-

Рис. 2.58. Структурная схема универсального измерительного преобразователя

щим [40]. Для периодического контроля дрейфа прибора и коррекции его характеристики используется цепь К, программирование преобразователя, и опрос параметров производится по цифровому каналу управления КУ от ПК по интерфейсу RS-232. Корректор начального сигнала КН используется для учета сопротивления линий связи при двухпроводной схеме подключения ТС. Преобразователи могут работать с термопреобразователями Pt 100, CulOO и NilOO. Для пределов измерения от минус 200 до 850°С погрешность преобразователя при точной коррекции составляет ± (0,06—0,75)°С. Преобразователи имеют конструктивные исполнения для монтажа на несущей шине и в плоском варианте как съемные модули, помещаемые в держатели модулей. При использовании термопар со встроенным в головку микропроцессором, в котором вводится поправка на изменение температуры свободных концов термопары и создается на выходе унифицированный токовый или цифровой сигнал, отпадает необходимость применения удлиняющих проводов. К таким преобразователям относятся ТХАУ, «Метран-281» (интеллектуальный), в последнем используется термопара ТХА. Преобразователи температуры SITRANS Т, рассмотренные выше, работают и с термоэлектрическими преобразователями. Компенсация влияния температуры свободных концов может быть внутренняя с использованием ТС гр. Pt 100 и внешняя. При использовании различных термопар измерения производятся в диапазоне температур от минус 200 до 2300°С с погрешностью ± (1—3)°С. В последнее время широко внедряются цифровые микропроцессорные вторичные приборы для измерения и регистрации температуры. Они могут выполнять дополнительные функции по сигнализации отклонений измеряемой величины, ее регулированию, преобразованию в токовый или цифровой выходные сигналы. Примерами таких приборов являются регистратор «Мет- ран-900» и «Технограф 160».

Цифровые измерительные приборы по сравнению с аналоговыми обладают следующими преимуществами: автоматическим процессом измерения, малыми габаритами, удобством включения в цифровые информационные и управляющие системы, использованием универсальной элементной базы, индикацией сигналов в цифровой форме и пр. Элементы цифровых измерительных приборов работают в импульсном режиме, характеризуемом наличием двух состояний, резко отличающихся уровнем напряжений, что обеспечивает их различимость и высокую помехоустойчивость приборов. Последнее имеет место при использовании кабелей с заданными характеристиками, гарантирующими сохранение четкой различимости уровней квантования, что исключает возможность потери информации [40].

Интеллектуальные датчики температуры

с унифицированным токовым выходным сигналом

(типа ТХАУ (хромель-алюмель))

Эти термопреобразователи обеспечивают непрерывное преобразование температуры твердых, жидких, газообразных и сыпучих веществ в унифицированный токовый сигнал и предназначены для работы в системах автоматического контроля и регулирования технологических процессов. Первичный преобразователь преобразует температуру в милливольты. Встроенный в головку датчика (рис. 2.59) измерительный преобразователь преобразует милливольты в унифицированный токовый выходной сигнал (4— 20 мА), что дает возможность построения систем АСУТП без применения дополнительных нормирующих преобразователей. В современных схемах роль измерительного преобразователя выполняет микропроцессорный преобразователь.

Микропроцессорный преобразователь сигналов первичного преобразователя в унифицированный размещен также в головке термопреобразователя и содержит компенсатор нелинейности сигнала первичного преобразователя и компенсатор температуры холодного спая. Выходной сигнал — 4—20 мА [35, 18].

Рис. 2.59. Преобразователь термоэлектрический с унифицированным токовым выходным сигналом (ТХАУ)

При большом расстоянии между технологическими аппаратами и щитами управления целесообразно применять электрические средства автоматизации (ЭСА). Химические производства относятся к числу взрывопожароопасных, и автоматизация осуществляется на основе использования взрывозащищенных средств автоматизации с использованием контроллеров и ЭВМ.

ЭСА, контроллеры и ЭВМ применяются:

• • во-первых, для облегчения работы оператора, так как за короткий промежуток времени обрабатывается большое количество информации;
• • во-вторых, выполняют роль «советчика», при котором ЭВМ рекомендует оператору оптимальные знания режимных параметров процесса;
• • в-третьих, сравнивая текущие значения с заданными, выдают сигнал рассогласования на регулятор (на контроллер), а затем регулирующее воздействие непосредственно на исполнительный механизм. Кроме того, работая в качестве управляющей системы по заданной программе, контроллеры и ЭВМ характеризуются гибкостью управления, т.е. появляется возможность перенастроить производство за короткое время на выпуск продукции другого качества, тем самым быстро среагировать на рынок.

Технология изготовления термоэлектрических преобразователей

из термопарного кабеля КТМС с применением импульсной лазерной сварки рабочего спая ранее использовалась только на предприятиях атомной энергетики и военной промышленности и была закрыта для широкого использования. В настоящее время кабельные термопреобразователи стали доступны для применения в различных отраслях промышленности и научных исследованиях. Именно на базе термопарного кабеля и лазерной сварки ПГ «Метран» была разработана серия интеллектуальных термопреобразователей ТХА/ТХК «Метран-200». В номенклатуру продукции вошли также термопреобразователи сопротивления медные (50М, 100М) и платиновые (50П, 100П, Pt 100, Pt500, PtlOOO) разных конструкций с одним и двумя чувствительными элементами. За эти годы освоено производство как самых простых термопар и термометров сопротивления, так и современных микропроцессорных датчиков температуры. Датчики температуры с унифицированными выходными сигналами серии «Мет- ран-270», «Метран-270 МП» имеют широкий модельный ряд, включающий общепромышленное, взрывозащищенное (Exia, Exd) исполнения и 15 вариантов защитной арматуры. Применение этой серии датчиков дает возможность построения АСУТП без дополнительных нормирующих преобразователей. Микропроцессорный преобразователь датчиков «Метран-270 МП» позволяет перенастраивать диапазон измерений и проводить самодиагностику (рис. 2.60).

Блок электроники представляет собой электронную плату, помещенную в герметичный корпус, объединяющую в себе микропроцессор, модуль питания, блок управления ЖКИ-дисплеем и ЦАП (см. рис. 2.60). Получая данные из аналого-цифрового преобразователя, процессор корректирует их в соответствии с коэффициентами, хранящимися в запоминающем устройстве, и передает в ЦАП, который преобразует их из цифрового в аналоговый сигнал 4—20 мА.

Микропроцессор (МП) представляет собой конструктивно и функционально законченное устройство обработки цифровой информации, выполненное из одной или нескольких БИС, входящих в состав МПК ИС. В первом случае МП называют однокристальным, во втором — многокристальным или модульным. На основе микропроцессорных комплектов ИС созданы микроЭВМ, микропроцессорные управляющие вычислительные комплексы, микропроцессорные программируемые контроллеры (МПК) и др. Под микроЭВМ понимают устройство обработки данных общего назначения, имеющее в своем составе микропроцессор, одно или несколько запоминающих устройств для хранения управляющих программ и средства управления обменом с периферийными устройствами ввода-вывода (УВВ). Процессор посредством /ИЯГ-протокола может взаимодействовать как с конфигураторами, так и с различными системами сбора и обработки информации. Все заданные пользователем параметры работы прибора, а также коэффициенты корректировки первичных данных хранятся в запоминающем устройстве. Сегодня ПГ «Метран» предлагает первые российские интеллектуальные датчики температуры «Метран-280» с поддержкой коммуникационного протокола HART, которые позволяют создавать глобальные АСУТП с минимальными затратами.

Микропроцессорная электроника «Метран-280» позволяет повысить точность измерений. Одновременно технология HART114

Рис. 2.Б0. Функциональная схема интеллектуального датчика протокола позволяет по одной паре проводов передавать и аналоговый (4—20 мА), и цифровой сигналы, что дает возможность использовать уже имеющиеся коммуникации для аналоговых сигналов ПГ.

В «Метран-280» реализована возможность выбора единиц измерения: градусы Цельсия (°С); градусы Кельвина (К); градусы Фаренгейта (F); градусы Ренкина (R); Омы; милливольты. Технический персонал предприятия может дистанционно получать необходимую информацию от полевых датчиков «Метран-280», осуществлять диагностику и настройку, используя для этого коммуникатор «Метран-650» или компьютер с программным обеспечением H-Master разработки ПГ «Метран». Приведенные функции особенно высоко оцениваются потребителями, когда датчики расположены в труднодоступных местах и на больших расстояниях друг от друга. Непрерывная самодиагностика «Метран-280» обеспечивает оперативность проведения ремонтных и профилактических работ, так как в случае неисправности датчик немедленно выдает сигнал о возникновении внештатной ситуации (сбоя) в конкретном блоке. И ПТ «Метран-280» предназначены для измерений температуры в составе АСУТП (рис. 2.61, 2.62). Использование ИПТ допускается в нейтральных, а также агрессивных средах, по отношению к которым материал защитной арматуры является коррозионностойким. Связь ИПТ «Метран-280» с АСУТП осуществляется: по аналоговому каналу — передачей информации об измеряемой температуре в виде постоянного тока 4—20 мА; по цифровому каналу — в соответствии с /ИКГ-протоколом в стандарте Bell-202. Для передачи сигнала на расстояние используются двухпроводные токовые линии.

Рис. 2.В1. Модернизированные интеллектуальные преобразователи температуры «Метран-281-1», «Метран-286-1»

Рис. 2.В2. Интеллектуальные преобразователи температуры «Метран-281 -2», «Метран-286-2»

Интеллектуальные датчики серии «Метран-280» характеризуют высокая точность, выходной сигнал 4—20 мА/HART, цифровая передача информации по /ИЯГ-протоколу.

Конструктивные особенности и принцип действия датчиков

Конструктивно И ПТ «Метран-280» состоит из первичного преобразователя и электронного преобразователя (ЭП), встроенного в корпус соединительной головки. В качестве первичного термопреобразователя в «Метран-281» используются чувствительные элементы из термопарного кабеля КТМС (ХА), в «Мет- ран-286» — платиновые резистивные чувствительные элементы. ЭП преобразует сигнал первичного преобразователя температуры в унифицированный выходной сигнал постоянного тока 4—20 мА с наложенным на него цифровым сигналом HART в стандарте Bell-202.

В зависимости от используемого ЭП преобразователи «Метран-280» подразделяются:

на «Метран-280-1» — ЭП с гальванической развязкой (код ЭП 1);

«Метран-280-2» — ЭП без гальванической развязки (код ЭП 2).

Многоточечный режим работы ИПТ «Метран-280» не рекомендуется при искроопасности производства. В многоточечном режиме «Метран-280» работает только с цифровым выходом. Аналоговый выход автоматически устанавливается в 4 мА и не зависит от значения входной температуры. Информация о температуре считывается по /МКГ-протоколу. К одной паре проводов может быть подключено до 15 датчиков. Их количество определяется длиной и параметрами линии, а также мощностью блока питания датчиков. Каждый датчик в многоточечном режиме имеет свой уникальный адрес от 1 до 15, и обращение к датчику идет по этому адресу. «Метран-280» в обычном режиме имеет адрес 0; если ему присваивается адрес от 1 до 15, то датчик автоматически переходит в многоточечный режим и устанавливает выход в 4 мА. Коммуникатор или АСУТП определяет все датчики, подключенные к линии, и может работать с каждым из них. Технические характеристики датчиков приведены в табл. 2.9.

Взрывозащита. «Метран-281 -Ех» могут применяться во взрывоопасных зонах, в которых возможно образование взрывоопасных смесей газов, паров, горючих жидкостей с воздухом категории НС группы Тб или Т5.

особовзрывобезопасный уровень с видом взрывозащиты «искробезопасная электрическая цепь /о» — ExiallCTbX, ExiaIICT5X;

взрывобезопасный уровень с видом взрывозащиты «взрывонепроницаемая оболочка d» — ExdUCT6X, ExdllCTSX.

Глава вторая. Измерение температуры

Действие термоэлектрических термометров основано на свойстве металлов и сплавов создавать термоэлектродвижущую силу (термо — э. д. с), зависящую от температуры места соединения (спая) концов двух разнородных провод­ников (термоэлектродов), образующих чувствительный элемент термометра — термопару. Располагая законом изменения термо — э. д. с. термометра от температуры и оп­ределяя значение термо — э. д. с. электроизмерительным прибором, можно найти искомое значение температуры в месте измерения.

Термоэлектрический термометр, состоящий из двух спаянных и изолированных по длине термоэлектродов, защитного чехла и головки с зажимами для подключения соединительной линии, является первичным измеритель­ным преобразователем.

В качестве вторичных приборов, работающих с термо­электрическими термометрами, применяются магнитоэлек­трические милливольтметры и потенциометры.

Термоэлектрические термометры широко применяются в энергетических установках для измерения температуры перегретого пара, дымовых газов, металла труб котлоагре-гатов и т. п. Положительными свойствами их являются: большой диапазон измерения, высокая чувствительность, незначительная инерционность, отсутствие постороннего источника тока и легкость осуществления дистанционной передачи показаний.

а) Основные свойства термоэлектрических термомет­ров

Явление термоэлектричества, открытое в XVIII в. и получившее широкое применение для измерения темпера­туры и ряда других неэлектрических величин, заключается в том, что в замкнутом контуре, состоящем из двух разнородных проводников, непрерывно течет электрический ток, если места спаев проводников имеют различные темпера­туры. Существующее представление о механизме образова­ния термо-э. д. с. основывается на том, что концентрация в межмолекулярном пространстве проводника свободных электронов, находящихся в единице объема, зависит от материала проводника и его температуры.

При соединении одинаково нагретых концов двух проводников из разнородных материалов, из которых в первом количество свободных электронов в единице объема больше, чем во втором, последние будут диффундировать из первого проводника во второй в большем числе, чем обратно. Таким образом, первый проводник станет заряжаться положительно, а второй — отрицательно. Об­разующееся при этом в месте соединения (спае) проводников электрическое поле будет противодействовать этой диффузии, в результате чего наступит состояние подвижного равновесия, при котором между свободными концами указанных проводников появится некоторая разность потенциалов (термо -э.д.с). С увеличением температуры проводников значение этой термо — э. д. с. также увеличивается.

Кроме того, термо — э.д.с. возникает и между концами однородного проводника, имеющими разные температуры. В этом . случае до наступления состояния подвижного равновесия положительно заряжается более нагретый конец проводника как обладающий боль­шей концентрацией свободных электронов по сравнению с концом, менее нагретым. Возрастание разности темпе­ратур между концами проводника приводит к увеличе­нию возникающей в нем терм о- э. д. с.

В замкнутом контуре термоэлектрического термометра, состоящем из разнородных термоэлектродов А и В (рис. 2-11),

одновременно действуют оба указанных выше фактора, вызывающие появление в спаях 1 и. 2 в зависи­мости от их температур t и t₀ и материала термоэлектродов двух суммарных терм — э. д. с. e_AB(t) и e_BA(t₀), взятых при обходе контура против часовой стрелки. Отсюда, дейст­вующая в контуре результирующая термо-э. д. с. E_AB(t, t₀) равна алгебраической сумме термо -э. д. с. обоих спаев, т. е.

Следовательно, вырабатываемая термометром терм — э, д. с. равна разности двух действующих навстречу сум­марных термо-э. д. с, появляющихся на концах термо­электродов в спаях 1 и 2. При равенстве температур обоих Спаев результирующая термо — э. д. с. равна нулю.

В зависимости от значения вырабатываемой термо-э. д.с.У и общего сопротивления контура в проводниках появ­ляется электрический ток, сила которого определяется законом Ома.

Спай 1, погружаемый в измеряемую среду, называется рабочим концом термоэлектрического термометра, а спай 2 — свободным концом.

Термоэлектроды термометра обозначаются знаками + и — . Положительным термоэлектродом считается тот, по которому ток течет от рабочего конца к свободному.

Для измерения термо — э. д. с. к термоэлектрическому термометру посредством соединительных проводов подключается вторичный прибор, образующий с ним замкну­тую цепь. Применяются два способа включения послед­него в контур термометра: в свободный конец или в один из его термоэлектродов. Наибольшее распространение имеет первый из них.

Рассмотрим, как будет влиять на значение результи­рующей термо — э. д. с. включение в свободный конец термо­метра третьего разнородного (соединительного) провод­ника С с вторичным прибором ВП (рис. 2-12, а).

В этом случае термометр будет иметь не один, а два свободных конца со спаями 2 и 3, находящимися при одинаковой температуре t₀.

В соответствии с формулой (2-13) результирующая термо — э. д. с. этого термометра равна:

Если принять, что температуры всех трех спаев одина­ковы и равны t₀ то в замкнутой цепи результирующая термо — э. д. с. будет равна нулю 1 ( 1 По закону Вольта в замкнутой цепи, образованной из любого числа разнородных проводников, не может быть получен ток, если температуры мест соединения этих проводников одинаковы .), т. е.

Подставив в уравнение (2-15) вместо двух последних членов их новое выражение, получим зависимость, тож­дественную уравнению (2-14).

Принципиально ничем не отличается от разобранного выше и включение третьего проводника С со вторичным прибором ВП в термоэлектрод термометра (рис. 2-12, б).

При включении прибора в термоэлектрод В в замкнутой цепи появляются два новых, расположенных рядом спая 3 и 4. Если температуры этих спаев одинаковы и равны t_l то результирующая термо — э. д. с. E_AB(t, t₀) будет равна:

После преобразования уравнение (2-17) также стано­вится тождественным уравнению (2-14). При этом темпе­ратура нейтральных спаев 3 и 4 никакой роли не играет.

Таким образом, включение в контур термометра треть­его разнородного проводника не влияет на развиваемую им термо — э. д. с, если места присоединения проводника имеют одинаковую температуру. Если же температуры спаев 2 и 3 на рис. 2-12а или спаев 3 и 4 на рис. 2-12, б не будут равны, то при этом в цепи появится паразитная термо — э. д. с, которая отразится на результатах измере­ния.

Термо — э. д. с. любого термоэлектрического термометра может быть определена, если известна термо-э. д. с, развиваемая каждым из его термоэлектродов в паре с од­ним и тем же третьим разнородным термоэлектродом. Пусть, например, даны термо — э. д. с. двух термометров АС и ВС, температуры рабочих и свободных концов кото­рых соответственно равны t и t₀. Требуется найти при тех же температурах термо-э. д. с. термометра АВ.

Согласно уравнению (2-14) имеем:

Так как на основании уравнения (2-14) правая часть равенства (2-19) представляет собой величину E_AB(t, t₀) , то получим окончательно:

Измерение температуры при помощи термоэлектричес­кого термометра возможно лишь при постоянной и точно известной температуре свободного конца t₀. В этом случае уравнение (2-14) принимает вид:

Для различных типов термоэлектрических термомет­ров эта функция имеет сложный вид и определяется опыт­ным путем. Зная закон, выражаемый уравнением (2-21), находят искомую температуру, располагая рабочий конец термометра в месте измерения и отсчитывая по вторичному прибору величину E_AB(t, t₀) .

Экспериментальная зависимость термо — э. д. с. E_AB(t, t₀) от температуры рабочего конца t при постоянной температуре свободных концов t₀, обычно равной 0 °С, называется градуировочной характеристикой термоэлектрического тер­мометра 1 . ( 1 Здесь и в дальнейшем принимается, что термоэлектрический термометр имеет два свободных конца, образующихся при подключении к нему вторичного прибора , по наиболее распространенной схеме, приведенной на рис. 2-12а. )

На основании ее составляются градуировочные таблицы и графики для практического пользования.

Значение развиваемой термо — э. д. с. зависит от мате­риала термоэлектродов и температуры рабочего и свобод­ных концов термометра. В качестве термоэлектродов пре­имущественно применяются те металлы и сплавы, которые, отвечая одновременно и ряду других требований, разви­вают сравнительно большие терм о- э. д. с. При измерениях температуру свободных концов термометра с целью уве­личения термо-э. д. с. часто искусственно поддерживают на возможно более низком постоянном уровне.

Применение термометров с более высокими значениями термо — э. д. с. увеличивает надежность измерения темпе­ратуры. Создаваемая термометрами термо-э. д. с. сравни­тельно невелика; она составляет не более 8 мВ на каждые 100 °С и при измерении высоких температур не превышает 70 мВ.

б) Термоэлектродные материалы

В качестве термоэлектродных материалов для изготов­ления термометров применяются главным образом чистые металлы и их сплавы. Выбор материала для термоэлектро­дов имеет существенное значение. Наряду с требованием создания большой термо — э. д. с. термоэлектроды должны по возможности обладать:

• постоянством термоэлектрических свойств независимо от изменения со временем внутренней структуры (рекри­сталлизации) и загрязнения поверхности;
• устойчивостью против действия высоких температур, окисления и других вредных факторов;
• хорошей электропроводимостью и небольшим темпера­турным коэффициентом электрического сопротивления 2 ( 2 Температурный коэффициент электрического сопротивления характеризует относительное изменение сопротивления проводника при изменении температуры на 1°С .) ;
• однозначной и по возможности линейной зависимостью термо – э.д.с. от температуры;
• однородностью и постоянством состава для обеспечения взаимозаменяемости термометров 3 . ( 3 В неоднородном термоэлектроде при нагревании образуется паразитные термо – э.д.с. , вызываемые местными загрязнениями и различием структуры и состава материала.)

Состав термоэлектродов сильно влияет на значение развиваемой ими термо-э. д. с, поэтому воспроизводимость состава металла или сплава значительно упрощает и облег­чает условия промышленной эксплуатации термоэлектри­ческих термометров. В этом случае при замене однотипных термометров не требуется переградуировки шкалы вторич­ного прибора.

Для оценки значения термо-э. д. с различных термометров обычно пользуются опытными значениями термо-э. д. с металлов и сплавов в паре с чистой платиной. Выбор платины в качестве основного термоэлектрода вызы­вается тем, что она обладает постоянством термоэлектри­ческих свойств, устойчива против действия высоких тем­ператур и окисления и сравнительно легко может быть получена в чистом виде.

В табл. 2-7 даны значения термо-э. д. с. различных термоэлектродов в паре с платиной при температурах t = 100°С и t₀ = 0 °С, а также указана допускаемая ко­нечная температура применения этих материалов. Здесь знак + или — перед значениями термо-э. д. с. означает, что данный термоэлектрод в паре с платиной является положительным или отрицательным.

При помощи табл. 2-7 и уравнения (2-20) можно опре­делить термо — э. д. с. различных термометров, выполнен­ных из указанных здесь термоэлектродов.

Наибольшее распространение для изготовления термо­электрических термометров получили материалы: пла­тина, платинородий, хромель, алюмель и копель. Для измерений в лабораторных установках находят также применение медь, железо и константан.

в) Типы и характеристики термоэлектрических термо­метров

Для получения сравнительно высоких значений термо-э. д. с. выбор термоэлектродов производится таким обра­зом, чтобы в паре с платиной один из них создавал поло­жительную, а другой отрицательную термо — э. д. с.

Термоэлектрические термометры, получившие практи­ческое применение, разделяются по материалу термо­электродов на две группы: из благородных и неблагород­ных металлов или сплавов.

В табл. 2-8 приведены наиболее распространенные типы термоэлектрических термометров, температурные границы их применения и средние значе­ния термо — э. д. с, развиваемой при разности температур между рабочим и свободными концами 100 °С. При наименовании термометров первым обычно указывается поло­жительный термоэлектрод.

Термоэлектрические термометры типов ТПП, ТПР, ТХА и ТХК включены в государственный стандарт 1 .( 1 ГОСТ 6616-74 Термометры термоэлектрические ГСП. Общие технические условия. В этот ГОСТ включен также термоэлектричес­кий термометр типа ТВР из вольфрамрения (5 и 20% рения) с градуировочной характеристикой ВР-5/20. Диапазон измерения темпе­ратуры 0-2200 °С. Термометр применяется в металлургии .)

Ввиду надежного обеспечения однородности состава термоэлектродов термометров последние имеют постоянные градуировочные характеристики 2 ( 2 ГОСТ 3044-74. Термометры термоэлектрические. Градуиро­вочные таблицы при температуре свободных концов 0 °С .). приведенные в табл. 2-9.

Данные табл. 2-9 представлены в виде градуировочных графиков на рис. 2-13.

Термометры типов ТПП и ТПР с термоэлектродами из благородных металлов и сплавов применяются главным образом для измерения температуры выше 1000 °С, так как они обладают большой термостойкостью.

Несмотря на относительно малые значения развиваемой термо — э. д. с. термометры типа ТПП благодаря исключи­тельному постоянству термоэлектрических свойств и боль­шому диапазону измерения получили широкое распростра­нение главным образом как лабораторные, образцовые и эталонные 3 . ( 3 Платиновый термоэлектрод термометра типа ТПП изготов­ляется из платины с удельным электрическим сопротивлением ρ <= 0,106 Ом·мм 2 /м и отношением R₁₀₀/R₀ >= 1,392, где R₀ и R₁₀₀ значения сопротивления проволоки при температуре 0 и 100 °С )

Последние используются для воспроизведе­ния МПТШ-68 в диапазоне температур 630, 74-1064,43 °С и поверяются по платиновому термометру сопротивления и точкам затвердевания серебра и золота.

Допускаемое отклонение ∆Е (мВ) термо — э. д. с. техни­ческих термометро в типа ТПП от градуировочных значе­ний составляет до температуры 300 °С около ±0,01 мВ, а при более высокой температуре находится по формуле

где t — температура рабочего конца термометра, °С.

Достоинством термометров типа ТПР является воз­можность применения их при высоких температурах, а также то, что они не требуют поддержания по­стоянной температуры сво­бодных концов.

Как видно из рис. 2-13, даже при температуре 300 °С термо — э. д. с, развиваемая тер­мометром, очень мала, а поэтому колебания темпе­ратуры его свободных кон­цов, не превышающие обычно 100 °С, не влияют на результаты измерения. Недостатком этого термо­метра является небольшое значение создаваемой им термо — э. д. с, допускаемое отклонение которой от градуировочного значения определяется из равенства

Термометры типов ТПП и ТПР хорошо противостоят действию окислительной среды, но быстро разрушаются под влиянием восстановительной атмосферы (водорода и окиси углерода), двуокиси углерода и паров металлов. Поэтому термоэлектроды технических термометров этих типов тщательно изолируют от непосредственного сопри­косновения с окружающей средой.

Промышленные термометры типов ТХА и ТХК с термоэлектродами из неблагородных металлов и сплавов применяются для измерения температуры до 1000 °С 1 ( 1 К числу термометров из неблагородных металлов относятся также применяемые в лабораторной практике железо-копелевый, железо-константановый, медь-копелевый и медь-константановый тер­мометры, не вошедшие в государственный стандарт. Существенным недостатком этих термометров является легкая окисляемость же­леза и меди при высокой температуре .)

Термометры развивают большие термо — э. д. с, что является их достоинством. Так, например, при одних и тех же темпе­ратурах рабочего и свободных концов термометр типа ТХК дает в среднем в 8 раз большую термо — э. д. е., чем термометр типа ТПП.

Большое распространение получили термометры типа ТХА, которые по сравнению с остальными термометрами из неблагородных металлов являются наиболее стойкими в окислительной среде, но также подвержены влиянию восстановительной атмосферы.

Термометры типа ТХК развивают наибольшую термо-э. д. с. и достаточно устойчивы против воздействия окру­жающей среды.

Допускаемое отклонение термо — э. д. с. термометров типа ТХА и ТХК от градуировочных значений составляет до температуры 300 °С соответ­ственно ±0,16 и ±0,2 мВ, а для более высокой температуры находится по формулам:

для термометра типа ТХА

для термометра типа ТХК

Термоэлектроды из благо­родных металлов изготовляются обычно из проволоки диаметром 0,5 мм, а из неблагородных — диаметром 1,2 — 3,2 мм 1 ( 1 ГОСТ 1790-63. Проволока для термоэлектродов термопар из сплавов хромель Т, алюмель и копель .). Диа­метр термоэлектродов определяется назначением термометра (технический, лаборатор­ный и др.), диапазоном измеряемых температур, а также необходимой прочностью.

Рабочий конец термометров (рис. 2-14) в большинстве случаев образуется скруткой и сваркой концов термоэлек­тродов в пламени электрической дуги или гремучего газа. Иногда применяется также спайка концов термоэлектродов серебряным припоем.

Длина термоэлектродов выбирается в зависимости от условий установки термометра, в частности от глубины погружения его в измеряемую среду.

г) Устройство термоэлектрических термометров

Для изоляции термоэлектродов и защиты их от вредного воздействия окружающей среды, а также для обеспечения прочности термометра и удобства его установки он имеет специальную арматуру, состоящую из электроизоляции, защитного чехла и головки с зажимами для присоединения внешних проводов.

Термоэлектроды термометра от спая до зажимов тща­тельно изолируются. В качестве изоляции применяются одно- или двухканальные трубки или бусы — из фарфора (до температуры 1300 °С) и окислов алюминия, магния или бериллия (свыше 1300 °С), надеваемые на термоэлек­троды.

Защитный чехол термометра представляет закрытую с одного конца трубку, предохраняющую термоэлектроды от воздействия внешней среды. Он должен обладать устой­чивостью против действия высокой температуры и резких ее колебаний, быть механически прочным и газонепрони­цаемым, а также не выделять при нагревании вредных для термоэлектродов газов и паров.

Термометры из благородных металлов имеют защитные чехлы из алунда, состоящего из смеси окислов алюминия (99% А1₂O₃) и титана (1% ТiO₂), выдерживающие темпе­ратуру до 1600 °С. Для термометров из неблагородных металлов используются стальные защитные чехлы. Чехлы из углеродистой стали применяются для работы при тем­пературе до 600 °С, а из нержавеющей и жаропрочной — до 1000 °С.

Для снижения стоимости стальных чехлов их иногда выполняют составными: концевую часть, погружаемую в измеряемую среду, — из легированной стали, а осталь­ную часть — из углеродистой. Стальные защитные чехлы термометров бывают без штуцера и с подвижным (имеющим сальник) или неподвижным (приваренным к чехлу) штуце­ром с резьбой, служащим для установки термометра в месте измерения температуры. Термометры без штуцера устанавливаются с помощью особого крепления.

Головка термометра, закрытая съемной крышкой и имеющая обычно водозащищенное исполнение, изготовляется из бакелита или алюминия и жестко соединяется с открытым концом защитного чехла. В головке располо­жены зажимы для подключения внешних проводов и шту­цер с уплотнением для их ввода.

В тех случаях, когда термоэлектроды не подвергаются длительно вредному воздействию внешней среды и не требуют придания им большой прочности, защитные чехлы и закрытые головки не применяются. К этой группе отно­сится большинство термометров, применяемых яри спе­циальных и лабораторных измерениях.

Запаздывание показаний термоэлектрических термо­метров зависит от их тепловой инерции, показателем кото­рой является время, необходимое для того, чтобы при быстром внесении равномерно нагретого до 30 — 35 °С термометра в водяной термостат с более низкой постоянной температурой (около 15 — 20 °С) разность температур воды и термометра стала равной 37% температуры, которую термометр будет иметь к моменту наступления теплового равновесия (т. е. практически от температуры воды в тер­мостате). В зависимости от значения показателя тепловой инерции термометры бывают малоинерционные (до 40 с), со средней инерционностью (до 1 мин), с большой инер­ционностью (до 3,5 мин) и с ненормированной инерцион­ностью (свыше 3,5 мин).

Выпускаются одинарные (с одним чувствительным эле­ментом) и двойные (с двумя чувствительными элементами) термоэлектрические термометры различных типов.

Двойные термометры применяются для измерения тем­пературы в одном и том же месте одновременно двумя вторичными приборами, установленными в разных пунктах наблюдения. Они содержат два одинаковых чувствитель­ных элемента, заключенных в общую арматуру. Термо-алектроды их изолированы друг от друга и защитного чехла. В головке термометра находятся четыре зажима для присоединения проводов от вторичных приборов.

Для измерения высокой температуры газов при атмос­ферном давлении применяются термоэлектрические термо­метры типов ТПП-0555 и ТПР-0555.

На рис. 2-15 показано устройство термометра типа ТПП-0555.

Термоэлектроды, образующие рабочий конец 1, изолированы по длине фарфоровыми трубками 2 и 3 и поме­щены в защитный чехол 4 из алунда, рассчитанный на атмосферное давление. Для придания чехлу дополнитель­ной прочности нерабочая часть его заключена в стальную трубку 5. При помощи стальных втулок 6 и 7 защитный чехол соединен с корпусом 8 водозащищенной бакелитовой головки, в которой закреплены два зажима 9 с припаян­ными к ним термоэлектродами, уплотненными герметизи­рующей мастикой 10. Корпус головки закрыт съемной крышкой 11 на резьбе, уплотненной прокладкой 12. Для ввода в головку внешних соединительных проводов служит штуцер 13 с уплотнением 14. На поверхности головки закреплена металлическая табличка 15, на которой ука­заны: тип термометра, допускаемые давление и конечная температура измеряемой среды, материал защитного чехла, Дата изготовления термометра и марка предприятия-изго­товителя.

Монтажная длина L термометра (до головки) изменяется в пределах 320 — 2000 мм, а погружаемая длина l(до стальной трубки) — в пределах 200 — 500 мм. Термометры не­большой монтажной длины имеют наружный диаметр за­щитного чехла 8, а большой — 12 мм. Наружный диаметр стальной трубки соответственно равен 12 и 20 мм. Инер­ционность термометра составляет 40 с. Термометр вы­пускается без штуцера.

Термометр типа ТПР-0555 имеет те же устройство, раз­меры и инерционность, что и термометр типа ТПП-0555.

Для измерения температуры жидкости, газа и пара применяются одинарные и двойные виброустойчивые тер­моэлектрические термометры типов ТХА-0515 и ТХК-0515, выпускаемые в трех исполнениях — без штуцера (рис. 2-16, а), с подвижным штуцером (рис. 2-16, б) и с неподвижным штуцером (рис. 2-16, в).

Защитный чехол 1 термометров имеет наружный диаметр 10 мм. Для первого термометра он изготовляется из стали 0X13, Х18Н10Т или 0Х20Н14С2 и для второго — из стали 0X13 или 0Х20Н14С2. Термо­электроды термометров изолированы двухканальными фар­форовыми бусами 2, а рабочий конец — фарфоровым колпачком 3. Термометры снабжены водозащищенной бакелитовой головкой 4. Для термометров с подвижным штуцером допускаемое условное давление среды состав­ляет 0,4 МПа, а с неподвижным штуцером и без него — 6 4 МПа. При установке термометров с неподвижным шту­цером в защитной гильзе допускаемое условное давление среды равно 25 или 50 МПа. 1 ( 1 Конец защитного чехла термометра, предназначенного для установки в защитной гильзе на условное давление 50 МПа, имеет ва длине 60 мм наружный диаметр 8,4 мм . ). Монтажная длина L термо­метров изменяется в пределах 120 — 2000 мм, причем для термометров со штуцером она ограничивается его положе­нием на чехле. Инерционность термометра составляет 10 — 40 с, а в защитной гильзе – 40 -120 с.

При установке термометра без защитной гильзы до­пускаемая скорость измеряемой среды равна для воды 15 и пара 25 м/с. При наличии защитной гильзы на услов­ное давление 25 или 50 МПа допускаемая скорость для термометра типа ТХА-0515 составляет для воды 20 и для пара 40 м/с, а для термометра типа ТХК-0515 — для воды и пара при давлении 25 МПа соответственно 20 и 40 и при давлении 50 МПа — 100 и 120 м/с.

Для измерения температуры жидкости и газа приме­няются также термоэлектрические термометры типов TXA-VIII и TXK-VIII с неподвижным штуцером и монтаж­ной длиной 160 -1250 мм, рассчитанные на условное дав­ление 4 МПа, и типов TXA-XIII и ТХК-ХШ без штуцера с монтажной длиной 500 — 3200 мм, предназначенные для работы при атмосферном давлении. Защитный чехол наруяшым диаметром 21 мм изготовляется для термометров типа ТХА из стали Х18Н10Т или Х25Т, а для термометров типа ТХК — из стали 20 или Х18Н10Т. Термоэлектроды термометров изолированы фарфоровыми бусами. Рабочий конец термометров помещен в фарфоровый колпачок. Термометры снабжены алюминиевой головкой с размерами 90x49x75 мм. Инерционность термометров 3,5 мин.

Измерение температуры газовых сред в лабораторных условиях при атмосферном давлении, поверка промышлен­ных термоэлектрических термометров и пр. производятся лабораторными термометрами типов ТПП-1378 и ТПР-1378 (рис. 2-17, а)

с диаметром термоэлектродов 0,3 или 0,5 мм и общей длиной 120 — 3200 (для диаметра 0,3 мм) и 1000 — 3200 мм (для диаметра 0,5 мм). Термометры выпускаются без защитного чехла и головки. Термоэлектроды изоли­рованы двухканальными фарфоровыми бусами наружным диаметром 2,5 мм. Рабочий конец термометров не изолиро­ван. Выводные концы термоэлектродов имеют длину 20 — 50 мм. Инерционность термометров не нормирована.

Для стационарного измерения температуры наружных металлических поверхностей служит поверхностный термоэлектрический термометр типа ТХКП-XVIII (рис. 2-17, б) монтажной длиной 100мм. Рабочий конец его расположен в плоской части защитного чехла из стали 0X13.При установке эта часть чехла прижимается к нагретой поверхности и покрывается теплоизоляцией. Термометр не име­ет головки и выпускается с уд­линяющим проводом длиной 2 м. Инерционность термометра 40 с.

Измерение температуры труб пароперегревателей и экранов котлов производится поверхностными термомет­рами типов ТХАП-15М и ТХКП-15М без защитных чехлов. Термометры имеют головку со штуцером для крепления. Термоэлектроды термометров длиной каждый 15 м не изо­лированы. Инерционность термометров не нормирована. 1 ( 1 Кроме указанных изготовляются термоэлектрические термо­метры типов: для газа — ТХА-151 и ТХК-151 (при атмосферном давлении) и ТХА-280М (до 16 МПа), для жидкости и газа — ТХА-0806 и ТХК-0806 (до 0,25 и 4 МПа), для наружной поверхности труб ТХК-834, а также и другие типы термометров .)

Измерение разности температур между двумя точками осуществляется дифференциальным термоэлектрическим термометром ( рис. 2-18 а) у которого свободный конец является вторым рабочим концом.

Для точного измерения небольших температур находит применение термобатарея (рис. 2-18, б),представляющая собой ряд последовательно соединенных однотипных термометров, рабочие концы которых помещаются в зону измеряемой температуры, а сво­бодные имеют одинаковую постоянную температуру. Результирую­щая термо — э. д с. термобатареи возрастает пропорционально числу включенных термометров, что приводит к уменьшению погрешности отсчета показаний. Применяются также и дифференциальные тер­мобатареи.

С помощью последовательного соединения однотипных термо­электрических термометров можно легко определить среднюю тем­пературу контролируемой среды, если их рабочие концы располо­жены в различных местах измерений. В этом случае полученную суммарную термо — э. д. с. следует разделить на количество установ­ленных термометров.

Термопреобразователи сопротивления, термоэлектрические термометры (термопары)

Принцип действия термометров сопротивления (термопреобразователей) основан на изменении электрического сопротивления проводника в зависимости от понижения или повышения температуры.

Чувствительный элемент термопреобразователей изготавливают из медной или платиновой проволоки, обозначение термопреобразователей ТСМ и ТСП соответственно.

Платиновые термометры имеют большой температурный коэффициент и высокое удельное сопротивление, вследствие чего наибольшее распространение они получили в качестве эталонных термометров сопротивления.

Медные термометры дешевле платиновых, но при высоких температурах их не используют (медь быстро окисляется).

Для защиты от механических повреждений и воздействия среды для термометров применяется защитная специальная арматура. Диапазон измеряемых температур для термопреобразователей с медным чувствительным элементом составляет от -50 до +200°С; с платиновым чувствительным элементом — от -200 до +1100 °С.

К преимуществам термопреобразователей сопротивления относится высокая точность измерений. Основным недостатком является потребность в постоянном источнике тока. Для фиксации температурных измерений применяются мосты, логометры и нормирующие преобразователи.

Термоэлектрический термометр состоит из:

Принцип действия данных термометров основан на возникновении термотоков при соединении одинаково нагретых концов двух проводников термопары из разнородных материалов (спаев), вследствие чего в результате диффузии электронов проводники заряжаются противоположными зарядами и возникает термо-ЭДС. Также термо-ЭДС возникает между концами однородного проводника термопары, имеющими разную температуру. Рабочий конец термопары должен быть помещён в измеряемую среду, свободные концы присоединяют к вторичному прибору. Суммируя эти значения получается результирующая термо-ЭДС, значение которой зависит от материалов термоэлектродов и разности температур спаев, которое фиксируется вторичным прибором (милливольтметром, потенциометром). Связь между термопарами и вторичными приборами обеспечивается термоэлектродными проводами, позволяющими наращивать термоэлектроды термометра. Для изготовления термопар применяют термоэлектродные материалы такие как платина, хромель (сплав никеля с хромом), алюмель (сплав алюминия, кремния, марганца, никеля, кобальта), копель (сплав меди, никеля, марганца).

Основным недостатком термоэлектрических термометров является чувствительность электродов к загрязнению, деформации, вследствие чего электроды помещаются в специальную защитную арматуру. Диапазон измерения температур составляет от -300 до 2500 °С.

Термоэлектрические термометры

Термоэлектрические термометры (ТЭТ) – термопары широко применяются для измерения температур от минус 200 до плюс 2500 °С в различных областях техники и научных исследованиях. Однако в области низких температур ТЭТ получили меньшее распространение, чем термометры сопротивления.

Принцип действия ТЭТ основан на термоэлектрическом эффекте, заключающемся в том, что в электроцепи, составленной из двух разнородных проводников или полупроводников (термоэлектродов), например А и В (рисунок 3.2а), при наличии разности температур между местами их соединения (спаями) возникает термоэлектродвижущая сила (термоЭДС), величина которой пропорциональна разности температур нагретого Т₁ и свободного (холодного) Т₂ концов спаев и зависит от материала термоэлектродов.

Рисунок 3.2 – Термоэлектрическая цепь (а) и схемы измерения термоЭДС термопары – без термоэлектродных проводов (б) и с термоэлектродными проводами (в):

А и В – электроды термопары; А₁ и В₁ – термоэлектродные (удлиняющие провода); Т₁ – температура мест соединений электродов термометра с термоэлектродными проводами (в); mV – милливольтметр

Термопара состоит из двух специально подобранных термоэлектродов (проволок), одни концы которых спаяны или сварены (Т₁), а другие (T₂) подключаются к вторичному прибору ИП (рисунок 3.2б): Т = Т₁ , Т₀ = Т₂ .

Термоэлектрод называют положительным, от которого термоток идет в спае, имеющем температуру Т₀ < Т, отрицательным – к которому ток идет в том же спае.

Спай термопары Т₁, погружаемый в среду, температура которой измеряется, называют рабочим (горячим).

Концы термопары (Т₂), которые подключаются к измерительному прибору ИП и должны находиться при постоянной температуре (Т₂ = Т₀ = const)называют свободными (холодными).

При условии Т₂ = const термоЭДС термопары U_ТП будет зависеть только от температуры рабочего спая, т. е. температуры контролируемой среды Т₁ = Т,

Для термопар статическая характеристика (рисунок 3.3) является непрерывной и, учитывая небольшую нелинейность на отдельных ее участках, чувствительность ТЭТ можно записать в виде

Величина К_тп зависит от температуры Т и от природы термоэлектродов и составляет 0,006–0,07 мВ/°С – для металлов (рисунок 3.3, кривые 1,2); 0,1–1 мВ/°С – для полупроводниковых термопар (рисунок 3.3, кривая 3).

Наиболее распространенными в практике технологического контроля являются стандартные термопары с металлическими термоэлектродами из благородных и неблагородных металлов.

Платинородий-платиновые термопары типа ТПП (градуировка ПП) применяются для измерения температур в области 0–1300 °С, термоэлектроды изготавливают из проволоки диаметром 0,5 мм, что удовлетворяет условиям достаточной прочности и не слишком высокой стоимости;

Рисунок 3.3 – Статические характеристики термопар:

1 – хромель-алюмелевой; 2 – хромель-копелевой (металлические);

3 – карбид кремния-графитовой (полупроводниковая)

— платинородий-платинородиевые термопары типа ТПР (градуировка ПP 30/6) применяются для измерения температур в области 300–1600 °С;

— хромель-копелевые термопары типа ТХК (градуировка ХК) применяются для измерения температур в области –200–600 °С;

— хромель-алюмелевые термопары типа ТХА (градуировка ХА) применяются для измерения температур в области –200–1000 °С, диаметр термоэлектродной проволоки до 3,2–5 мм.

Допустимая основная погрешность стандартных термопар составляет 0,01–0,23 мВ.

Стандартные термопары градуируют, определяя экспериментально зависимость термоЭДС от изменения температуры рабочего спая при строго постоянной температуре свободных концов термопары (обычно Т₀ = 0 °С) методом сравнения с образцовым термометром.

С целью упрощения конструкции термопар и условий термостабилизации свободных концов термоэлектродов их удлиняют специальными проводами, которые называют термоэлектродными (иногда компенсационными, что неверно). Это позволяет удалить свободные концы термопары в зону, где температура окружающей среды изменяется незначительно. В этом случае свободными концами термопары считают места соединения термоэлектродных проводов с медными проводами подключения или с зажимами измерительного прибора, если термоэлектродные провода присоединяются к ним непосредственно.

В качестве материала для термоэлектродных проводов используют недефицитные неблагородные металлы, которые в интервале температур окружающей среды развивают в паре между собой такую же термоЭДС, как и термопара, с которой они комплектуются. Для термопар типа ТПП применяют термоэлектродные провода марки ПП (положительный термоэлектрод – медь, отрицательный – сплав меди и никеля), для ТХК – марки ХК (положительный – хромель, отрицательный – копель), для ТХА – марки М (положительный – медь, отрицательный – константан).

Для исключения влияния изменения температуры окружающей среды, т. е. температуры свободных концов термоэлектродов, на работу термопары, в схему измерения вводят автоматическую термокомпенсацию при помощи специального устройства. Устройство термокомпенсации KТ включают последовательно в измерительную цепь, составленную из термопары АВ, термоэлектродных проводов А1 и В1, медных соединительных проводов С и измерительного (вторичного) прибора mV-милливольтметра (рисунок 3.4).

В простейшем виде устройство термокомпенсации представляет собой равноплечий мост, три плеча R2, R3, R4которого выполнены из манганиновой проволоки (имеет очень малый температурный коэффициент сопротивления), а плечо R1 – из медной проволоки (с большим ТКС). Мост питается от стабилизированного источника напряжения U, R_Д – добавочный мангониновый резистор в линии питания моста, R_у – уравнительный мангониновый резистор для подгонки внешнего сопротивления милливольтметра mV до заданного значения. Устройство термокомпенсации выпускается отдельным блоком или встроенным во вторичный прибор.

Рисунок 3.4 – Схема измерения температуры с автоматической термокомпенсацией

При температуре 0 °С мост уравновешен, напряжения U_ав назажимах а и в равно нулю, а термоЭДС термопары соответствует градуировочному значению U_тп (Т, Т₀). При изменении температуры окружающего воздуха, а следовательно, и температуры Т₀ до значения Т₀¢ > Т₀, медный резистор R1 также увеличивает свое сопротивление до значения R1¢. Вследствие этого нарушается равновесие моста и на зажимах а и возникает напряжение U_ав, которое компенсирует изменение термоЭДС термопары до значения U (Т, Т₀) = U (Т, Т₀¢) + U_AB, здесь U (Т, Т₀¢)термоЭДС термопары при температуре свободных концов Т₀¢, (U (Т, Т₀¢) £ U (Т, Т₀) при Т₀¢ > Т₀) и той же температуре Т рабочего конца.

Для защиты от механических повреждений и воздействия контролируемой среды электроды (чувствительный элемент) термопары, армированные изоляцией, помещают в специальную защитную арматуру. Особенности конструкции различных типов термопар представлены на лабораторном стенде и учебных плакатах. Термопары типа ТПП и ТПР выпускаются нескольких разновидностей: эталонные, образцовые, рабочие повышенной точности и технические; типа ТХА и ТХК – только технические.

К числу достоинств термопар следует отнести простоту изготовления, достаточно высокую точность, возможность централизации контроля температуры путем присоединения нескольких термопар через переключатель к одному измерительному прибору, возможность автоматической записи измеряемой температуры при помощи самопишущего прибора, надежность в эксплуатации, возможность раздельной градуировки вторичного прибора и первичного преобразователя – термопары.

Недостатками термопар являются: большая инерционность (до 180 с), необходимость введения поправки на температуру свободных концов, а также применения удлиняющих термоэлектродных проводов.