Измерение температуры Технические измерения и приборы
Измерение температуры Технические измерения и приборы
Измерение температуры • Температура ‒ параметр теплового состояния, характеризует степень нагрева тела. • Значение температуры обусловливается средней кинетической энергией поступательного движения молекул тела. • При соприкосновении двух тел переход теплоты от одного тела к другому будет происходить до тех пор, пока значения средней кинетической энергии поступательного движения молекул этих тел не будут равны. • С изменением средней кинетической энергии движения молекул тела изменяются физические свойства тела. • Понятие температуры является статистическим и применимо только к телу, состоящему из достаточно большого числа молекул; в применении к отдельной молекуле оно бессмысленно. • Температура характеризует как качественную, так и количественную сторону процессов теплообмена.
Термометрические свойства вещества • Измерить температуру непосредственно нельзя. • Значение температуры определяется по термометрическим свойствам вещества, которые однозначно зависят от температуры. • К ним относятся: 1. объем; 2. длина; 3. электрическое сопротивление; 4. термоэлектродвижущая сила; 5. энергетическая яркость излучения
Практические температурные шкалы • Международная практическая температурная шкала (МТШ 90) редакции 1989 г. • Основной температурой является термодинамическая температура (T). • Единица измерения температуры Кельвин (К) 1/273, 16 часть термодинамической температуры тройной точки воды. • Применяется также градус Цельсия ( C), который по величине равен Кельвину. • Температура в градусах Цельсия определяется из выражения , где T 0 = 273, 15 К
Практические температурные шкалы • Разность температур выражается как в Кельвинах, так и в градусах Цельсия. • МТШ 90 выбрана таким образом, чтобы температура, измеренная по этой шкале, была близка к термодинамической температуре с точностью, обеспечиваемой современными средствами измерений. • МТШ 90 основана на значении температур, присвоенных 11 воспроизводимым состояниям равновесия, и на специально аттестованных интерполяционных приборах
МТШ 90 Присвоенные значения температуры по Состояние равновесия термодинамической шкале T, К t, °C Тройная точка водорода 13, 81 – 259, 34 Точка кипения водорода при 33 330, 6 17, 042 – 256, 108 Па (25/76 атмосферного давления) Точка кипения водорода 20, 28 – 252, 87 Точка кипения неона 27, 102 – 246, 048 Тройная точка кислорода 54, 361 – 218, 789 Точка кипения кислорода 90, 188 – 182, 962
МТШ 90 Присвоенные значения температуры по Состояние равновесия термодинамической шкале T, К t, °C Тройная точка воды 273, 16 0, 01 Точка кипения воды 373, 15 100 Точка затвердевания цинка 692, 73 419, 58 Точка затвердевания серебра 1235, 08 961, 93 Точка затвердевания золота 1337, 58 1064, 43
МТШ 90 • МТШ 90 определяет температуру по термодинамической шкале в интервале от 13, 81 до 6300 К. • Для диапазона от 13, 81 до 903, 89 K (630, 74 °C)В применяется эталонный платиновый термометр сопротивления. • Для диапазона от 630, 74 до 1064, 43 °C применяется эталонный платинородий – платиновый термоэлектрический термометр. • Для температур выше 1337, 58 K (1064, 3 °C) до 6300 К применяется квазимонохроматический пирометр.
МТШ 90 • ГОСТ 8. 157 75 «Шкалы температурные практические» устанавливает практические температурные шкалы в диапазоне от 0, 01 до 100000 К. • Диапазон 0, 01… 0, 8 K ‒ температурная шкала термометра магнитной восприимчивости (ТШТМВ), – основанна на зависимости от температуры магнитной восприимчивости термометра из церий–магниевого нитрата. • Диапазон 0, 8… 1, 5 K температурная шкала конденсационного термометра 3 He 1962 г.
МТШ 90 • Диапазон 1, 5… 4, 2 K температурная шкала конденсационного термометра 4 Не 1958 г. • Диапазон 4, 2… 13, 81 К температурная шкала германиевого термометра электрического сопротивления (ТШГТС). • МТШ 90 • Диапазон 6300… 100 000 К температурная шкала пирометра микроволнового излучения (ТШПМИ) – зависимость спектральной плотности энергии излучения черного тела от температуры в микроволновом диапазоне излучения
Единицы измерения температуры • Используются градус Фаренгейта (°F) и градус Ренкина (°Ra)
Средства измерения температуры • Термометр – контактное средство для измерения температуры, предназначен для выработки сигнала в форме, удобной для восприятия наблюдателем, автоматической обработки, передачи и использования в автоматических системах управления. • Пирометр – средство для измерения температуры по тепловому электромагнитному излучению, применяется для бесконтактного измерения температуры.
Средства измерения температуры Предел длительного Тип средства Разновидность применения, °C измерения средства измерения нижний верхний Жидкостные стеклянные 200 600 Термометры термометры расширения 200 Манометрические термометры 1000 ( 272) Металлические (проводниковые) 260 1100 Термометры термометры сопротивления Полупроводниковые термометры 272 600 сопротивления
Средства измерения температуры Предел длительного Тип средства Разновидность применения, °C измерения средства измерения нижний верхний Термоэлект рические Термоэлектрические 200 2200 термометры ( 270) (2800) ы Квазимонохроматические 6 000 700 пирометры (100 000) Пирометры спектрального Пирометры 300 2800 отношения Пирометры полного излучения 50 3500
Жидкостные стеклянные термометры Лабораторные ртутные термометры: а – с вложенной шкалой; б – палочный
Жидкостные стеклянные термометры
Жидкостные стеклянные термометры
Жидкостные стеклянные термометры Пределы применения, °C Жидкость нижний верхний Ртуть 35 600 Толуол 90 200 Этиловый спирт 80 70 Керосин 60 200 Петролейный эфир 120 25 Пентан 200 20
Жидкостные стеклянные термометры Достоинства ртути как термометрического вещества: • остается в жидком состоянии в широком интервале температур; • не смачивает стекло; • легко получается в чистом виде. Недостатки ртути как термометрического вещества: • малый температурный коэффициент объемного расширения, что требует изготовления термометров с тонкими капиллярами.
Жидкостные стеклянные термометры Стеклянные термометры с органическими термометрическими жидкостями применяются в интервале от 200 до +200 °C. Достоинства стеклянных жидкостных термометров: • высокая точность измерения; • простота; • дешевизна. Недостатки стеклянных термометров: • относительно плохая видимость шкалы; • практическая невозможность передачи показаний на расстояние; • невозможность автоматической регистрации показаний; • невозможность ремонта термометров.
Жидкостные стеклянные термометры • По методике градуировки термометры делятся на две группы: • 1) термометры, градуируемые при полном погружении; • 2) термометры, градуируемые при неполном погружении. • Термометры первой группы применяются в лабораторных условиях и позволяют обеспечить более высокую точность. Глубина их погружения должна изменяться при изменении температуры. • Термометры второй группы ‒ технические, которые применяются для измерения температур в промышленности; глубина их погружения должна быть постоянной. • Допускаемые погрешности технических термометров не должны превышать деления шкалы. Например, при цене деления 0, 5 °C предел допускаемой погрешности составляет ± 0, 5 °C, а при цене деления 10 °C предел составляет ± 10 °C.
Технические электроконтактные термометры • Применяются для сигнализации и регулирования температуры в интервале от • – 30 °С до +300 °С. • Термометры изготовляют с заданной температурой контактирования (ТЗК) или с подвижным контактом (ТПК). • Технические электроконтактные термометры могут работать в цепях переменного и постоянного тока. Коммутируемая мощность ≤ 1 В А, ток коммутации ≤ 0, 04 А, напряжение ≤ 200 В.
Технические электроконтактные термометры • Минимальные интервалы между двумя соседними контактами обычно составляют не менее 5, 10, 20 и 30 °С для температуры контактирования соответственно до 50, 100, 160 и 300 °С.
Технические электроконтактные термометры Термометры типа ТПК: 1 – зажимы для подключения; 2 – ручка для вращения магнита; 3 – подковообразный магнит; 4 – вспомогательная шкала; 5 – подвижный Термометры винт; 6 – основная ТЗК: шкала; 7 – капилляр; 1 – капилляр; 2 8 – баллон с ртутью; 9 – – гайка; 10 – металлические подвижный контакт; контакты; 3 – 11 – неподвижный зажимы контакт
Технические электроконтактные термометры
Манометрический термометр
Манометрический термометр
Манометрический термометр
Манометрический термометр 1 термобаллон; 2 капилляр и манометрическая пружина; 3 измерительный прибор • Принцип действия основан на зависимости давления термометрического вещества в герметически замкнутом объеме от температуры
Газовые манометрические термометры • Измеряемая температура от минус 150 до плюс 600°C. • Рабочее вещество азот. • Длина капилляра – от 0, 6 до 60 м. • Давления газа от температуры при постоянном объеме • Уравнение шкалы газового манометрического термометра • где рн и рк – давление газа при температурах, соответствующих началу tн и концу tк шкалы термометра, – температурный коэффициент расширения газа, = 1/273, или 0, 00366 K 1.
Газовые манометрические термометры • Пружинные манометры измеряют избыточное давление, поэтому изменение барометрического давления может вызвать изменение их показаний. Увеличение начального давления азота в термосистеме позволяет уменьшить барометрическую погрешность и унифицировать манометрические пружины, при выполнении этого условия колебания барометрического давления практически не будут влиять на показания прибора. • На расширение рабочего вещества в капилляре и манометрической пружине влияет изменение температуры окружающего воздуха, что будет вызывать изменение давления в термосистеме и соответствующее изменение показаний термометра. Для уменьшения этого влияния уменьшают от ношение внутреннего объема пружины и капилляра к объему термобаллона, что достигается путем увеличения длины или диаметра термобаллона.
Газовые манометрические термометры • Обычно длина термобаллона газового манометрического термометра не превышает 400 мм, диаметр выбирается из ряда 5, 8, 10, 12, 16, 20, 25 и 30 мм (ГОСТ 8624– 80). • Для уменьшения температурной погрешности в некоторых измерительных приборах внутри устанавливают термокомпенсаторы
Жидкостные манометрические термометры • Измеряемая температура от минус 150 до плюс 600 °C. • Рабочее вещество ртуть, пропиловый спирт, метаксилол. • Длина капилляра до 10 м • Погрешность, вызываемая изменением температуры окружающей среды, имеет место и в жидкостных манометрических термометрах, для ее уменьшения применяют те же способы • В жидкостных манометрических термометрах может иметь место гидростатическая погрешность, возникающая при различных уровнях расположения термобаллона и измерительного прибора
Конденсационные манометрические термометры • Измеряемая температура от минус 50 до плюс 350 °C. • Длина капилляра до 25 м. • Термобаллон термометра примерно на 3/4 объема заполнен низкокипящей жидкостью, а остальная его часть заполнена насыщенным паром этой жидкости • Рабочая жидкость ‒ фреон 22, пропилен, хлористый метил, ацетон, этилбензол. • Капилляр и манометрическая пружина заполняются, как правило, другой жидкостью
Конденсационные манометрические термометры • Давление в термосистеме конденсационного манометрического термометра будет равно давлению насыщенного пара рабочей жидкости, определяемому, в свою очередь, температурой, при которой находится рабочая жидкость, т. е. температурой измеряемой среды с помещенным в нее термобаллоном • В связи с тем, что давление в термосистеме зависит только от измеряемой температуры, на показания термометра не будет оказывать влияние температура окружающей среды
Конденсационные манометрические термометры • Гидростатическая погрешность вызывается разностью высот расположения термобаллона и измерительного прибора, причем эта погрешность будет зависеть от показаний прибора: в начале шкалы она будет больше, а в конце – меньше • Барометрическая погрешность у конденсационных манометрических термометров может иметь место на начальном участке шкалы, когда давление в термосистеме невелико. В остальных случаях влияние давления будет пренебрежимо мало.
Конденсационные манометрические термометры • Специально изготовленные конденсационные манометрические термометры применяются для измерения сверхнизких температур. Конденсационные термометры, заполненные гелием, используются для измерения температур от 0, 8 К
Манометрический термометр • Манометрические термометры бывают показывающие, сигнализирующие (электроконтактные) и самопишущие. Могут снабжаться передающим преобразователем с выходным унифицированным сигналом. • Достоинства манометрических термометров 1. простота устройства; 2. возможность дистанционной передачи показаний; 3. возможность автоматической записи; 4. возможность использования в пожаро и взрывоопасных помещениях.
Манометрический термометр • Недостатки манометрических термометров: 1. трудность ремонта при разгерметизации системы; 2. ограниченное расстояние дистанционной передачи показаний; 3. во многих случаях большие размеры термобаллона. Газовые и жидкостные манометрические термометры имеют класс точности 1; 1, 5 и 2, 5, конденсационные – 1, 5; 2, 5 и 4.
Биметаллические термометры
Биметаллические термометры
Термоэлектрические термометры • Термоэлектрические преобразователи – устройства с металлическими термопарами в качестве термочувствительных элементов, предназначенные для измерения температуры от минус 270 до плюс 2500 °С. • Термопара – два проводника из разнородных материалов, соединенных на одном конце и образующих часть устройства, использующего термоэлектрический эффект для измерения температуры (ГОСТ 6616– 94).
Термоэлектрические термометры Если в цепи температуры мест соединения проводников a и b будут одинаковы и равны t, то разности потенциалов будут равны по значению, но иметь разные знаки, суммарная термо. ЭДС и ток в цепи будут равны нулю, Если t t 0, то суммарная термо. ЭДС не равна нулю, Термоэлектрическая цепь так как разности потенциалов для одних и тех же проводников при разных температурах не равны. Результирующая термо. ЭДС зависит для данных проводников a и b от температур t и t 0. Чтобы получить однозначную зависимость термо. ЭДС от измеряемой температуры t, необходимо другую температуру t 0 поддерживать постоянной.
Термоэлектрические термометры Включение третьего проводника в цепь термопары Термо. ЭДС цепи при равенстве температур всех мест соединения или Если температура мест подсоединения третьего проводника c не равна измеряемой температуре или и Термо. ЭДС цепи из трех разнородных проводников не отличается от термо. ЭДС цепи из двух проводников, если температура мест подсоединения третьего проводника одинакова
Термоэлектрические термометры • Выводы из закономерностей включения третьего проводника: – включение одного, двух или нескольких проводников в цепь термоэлектрического термометра не вызовет искажения термо. ЭДС, если места подсоединения каждого из этих проводников будут иметь одинаковую температуру; – рабочий спай термоэлектрического термометра можно изготовлять путем сварки или пайки, если температура во всех точках спая будет одинакова
Термоэлектрические термометры Включение измерительного прибора в цепь термоэлектрического термометра Включение измерительного прибора (ИП) в цепь термоэлектрического термометра: в разрыв электрода (а) и в разрыв спая (б)
Термоэлектрические термометры Введение поправки на температуру свободного спая термоэлектрического термометра
Термоэлектрические термометры Термобатарея Дифференциальный термоэлектрический термометр Термоэлектрогенераторы вырабатывают электроэнергию При разности температур не более 20÷ 25 °C напряжением 1, 2÷ 100 В и силой тока 10÷ 2000 м. А
Термоэлектрические термометры Требований к материалам термоэлектрических термометров. 1. Обязательные требования: – стабильность градуировочной характеристики; – воспроизводимость – для стандартных термометров. 2. Желательные требования: – жаростойкость или окалиностойкость; – жаропрочность, т. е. стойкость к механическим нагрузкам при повышенных температурах; – химическая стойкость; – однозначность; – линейность градуировочной характеристики.
Термоэлектрические термометры Основные типы термоэлектрических преобразователей ГОСТ 6616 -94 Пределы Хим. состав, % Тип термопары МЭК НСХ измерения, °С положит. отрицат. мин макс кратко Медь – Cu+ Cu– константановая Т Cu (40 -45) Ni+ – 200 350 400 Cu. Ni ТМКн +l, 0 Mn+0, 7 Fe Cu+ Хромель – – L Ni+ 9, 5 Cr (42 -44) Ni+ – 200 600 800 копелевая ТХК 0, 5 Mn+0, l. Fe Хромель – Cu+ Ni. Cr– константановая Е Ni+ 9, 5 Cr +(40 -45) Ni+ – 200 700 900 Cu. Ni ТХКн l, 0 Mn+0, 7 Fe
Термоэлектрические термометры Основные типы термоэлектрических преобразователей ГОСТ 6616 -94 Пределы Хим. состав, % Тип термопары МЭК НСХ измерения, °С положит. отрицат. мин макс кратко Железо – Cu+ Fe- константановая J Fe +(40 -45) Ni+ – 200 750 900 Cu. Ni ТЖК +l, 0 Mn+0, 7 Fe Хромель – Ni. Cr- Ni+l. Si+ алюмелевая К Ni+ 9, 5 Cr – 200 1300 Ni. Al 2 Al+2, 5 Mn ТХА Нихросил – Ni. Cr. Si Ni+4, 4 Si+ N Ni+14, 2 Cr+1, 4 Si – 270 1200 1300 нисиловая ТНН –Ni. Si +0, l. Mg
Термоэлектрические термометры Основные типы термоэлектрических преобразователей ГОСТ 6616 -94 Пределы Хим. состав, % Тип термопары МЭК НСХ измерения, °С положит. отрицат. мин макс кратко Платинородий – R Pt+13 Rh Pt платиновые – 0 1300 1600 S Pt+l 0 Rh Pt ТПП 13, ТПП 10 Платинородий – платинороди- – В Pt+30 Rh Pt+6 Rh 600 1700 – евая ТПР Вольфрамрений – вольфрамре- – – W+5 % Re W+20 % Re 0 2200 2500 ниевые ТВР (А-1; А-2; А-3)
Термопреобразователи из неблагородных металлов • Хромель-копелевый (L) – большая чувствительность (до 70÷ 90 мк. В/ С), применяется для точных измерений температуры. Верхний предел применения определяется стабильностью характеристик копелевого термоэлектрода. • Хромель-алюмелевый (К) – наиболее распространен. НСХ близка к линейной, дифференциальная термо. ЭДС около 40 мк. В/°С. К недостаткам относят два вида нестабильности термо. ЭДС: – обратимая циклическая нестабильность; – необратимая нестабильность, постепенно накапливающаяся со временем. • Вольфрамрений-вольфрамрениевые (ТВР) – самый высокий предел длительного применения до 2200 °С. Основной недостаток – плохая воспроизводимость термо. ЭДС, группируются по группам с НСХ – А 1, А 2, А 3.
Термопреобразователи из благородных металлов • Платинородий-платиновые (ТПП), платинородий- платинородиевые (ТПР) – используются в металлургическом производстве и при термообработке в диапазоне 1000 ÷ 1600 °С. • Термопары ТПП 10 используются также в качестве эталонных средств. • Термопара ТПР имеет малую чувствительность в диапазоне 0… 100 °С, поэтому возможно применение с медными удлинительными проводами и не требует термостатирования свободных концов (без поправки при температуре свободных концов 70 °C и при температуре рабочего спая 1600 °C погрешность около 2, 1 °C.
Нестандартные термоэлектрические термометры Не отвечают требованиям воспроизводимости или не имеют стабильную градуировочную характеристику. • Дисилицид молибдена – дисилицид вольфрама (Mo. Si 2 – WSi 2) для измерения температуры агрессивных газов и расплавов до 1700 °C; • Углерод – борид циркония (С – Zr. B 2) для измерения температур жидких металлов до 1800 °C; • Углерод – карбид титана (С – Ti. C) для измерения газов до 2500 °C; • Карбид ниобия – карбид циркония (Nb. C – Zr. C) для измерения до 3000 °C. • Золотожелезо-никельхромовый (Au. Fe – Ni. Cr) – измерение низких температур до минус 270 °C.
Устройство термоэлектрического термометра 1 – термоэлектроды; 2 – рабочий спай; 3 – защитный чехол; 4 – изоляционные бусы; 5 – головка термометра; 6 – клеммная колодка; 7 – зажимы; 8 – соединительные провода
Устройство термоэлектрического термометра
Термоэлектрический преобразователь кабельного типа а – с изолированным спаем; б – с неизолированным спаем
Термоэлектрический преобразователь кабельного типа Термопарный кабель с одной или двумя парами термоэлектродов Условные обозначения: 1 — оболочка кабеля; 2 — термоэлектроды; 3 — минеральная изоляция (Mg. O); d — наружный диаметр оболочки кабеля; S — толщина оболочки кабеля.
Термоэлектрический преобразователь кабельного типа
Термоэлектрический преобразователь кабельного типа Пространство заполняется специальной изолирующей засыпкой (порошок Mg. O или Аl 2 O 3). Оболочка из нержавеющей или жаропрочной стали. Диаметр оболочки от 0, 9 до 7, 2 мм, длина до 25 м. Масса термометров ТХК, ТХА – от 0, 18 до 9, 2 кг. Тепловая инерция – от 5 до 500 с. Хромель алюмелевые и хромель копелевые термопреобразователи с изолированным и неизолированным спаями. Интервал температур от минус 50 до 900 °C (в оболочке из жаропрочной стали – до 1100 °C) при давлении до 40 МПа. Термопарный кабель выдерживает изгиб на 180° вокруг цилиндра диаметром, равным пятикратному диаметру кабеля. Например, кабель диаметром 3 мм можно навить на трубу диаметром 15 мм. При этом не происходит замыкания электродов между собой или с оболочкой.
Удлиняющие термоэлектродные провода Удлиняющие термоэлектродные провода Термопара Обознач. Пара жил Медь-копелевая МК Медь – копель Медь-медноникелевая М Медь – константан Хромель-копелевая ХК Хромель – копель Никельхром- Медь – константан, М, МТ–МН никельалюминиевая медь-титан – никель-медь Платинородий – П Медь – сплав ТП платиновая Вольфрамрений- М–МН Медь – сплав МН 2, 4 вольфрамрениевая
Удлиняющие термоэлектродные провода • Удлиняющие термоэлектродные провода выпускаются одно и многожильными в изоляции и с внешней оболочкой, удобной для монтажа и прокладки. • Для изоляции применяют поливинилхлорид, полиэтилентерфталатную и фторопластовую пленку. Кроме изоляции провода часто покрывают поливинилхлоридной оболочкой или оплеткой из лавсановых нитей или стеклонитей. • Применяют оплетку или экран из медных или стальных проволок. • Каждый материал провода имеет свой цвет изоляции или цветные нити в обмотке и оплетке проводов. • В некоторых случаях для изготовления удлиняющих проводов применяются те же материалы, что и для изготовления термопар
Термометры сопротивления Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) в общем виде – ТКС; Rt и R 0 – сопротивление при t и 0 °C; t – температура. Если ТКС не зависит от температуры
Термометры сопротивления • ГОСТ 6651 2009 ГСИ. Термопреобразователи сопротивления из платины, меди и никеля. Общие технические требования и методы испытаний
Термометры сопротивления Для термометров сопротивления используется отношение где – R 100 сопротивление материала при 100 C.
Термометры сопротивления Зависимость ТКС от температуры 1 – металлы; 2 – термисторы; 3 – позисторы
Термометры сопротивления Таблица 1 - Обозначения типа, температурные коэффициенты и классы допусков термопреобразователей сопротивления и чувствительных элементов Тип ТС Обозначен a, °С 1 Класс допуска ие типа ТС Для для ТС проволочных пленочных ЧЭ Платиновый Pt 0, 00385 W 0. 1, W 0. 15, F 0. 1, F 0. 15, АА, А, В, W 0. 3, W 0. 6 F 0. 3, F 0. 6 С П 0, 00391 АА, А, В, С АА, А, В, С Медный М 0, 00428 А, В, С А, В, С Никелевый Н 0, 00617 С С
Термометры сопротивления Медные термометры сопротивления ТКС медной проволоки = 4, 28 10 3 K 1, W 100 = 1, 426 или 1, 428 Выпускаются термометрам с НСХ : 10 М, 50 М и 100 М (гр. 23 R 0 = 53 Ом) Предел допускаемой основной погрешности для термометров II класса составляет 0, 3 или 0, 5 °C, а для III класса – 1 или 2 °C.
Термометры сопротивления Медные термометры сопротивления К числу недостатков меди относятся: высокая окисляемость, поэтому медь используется для измерения температур не выше 200 °C, и малое удельное сопротивление: = 1, 75 10– 8 Ом м при 20 °C. Удельное сопротивление влияет на габариты термометра сопротивления: чем меньше удельное сопротивление, тем больше нужно проволоки, чтобы намотать такое же сопротивление, тем больше габариты термометра
Термометры сопротивления Никелевые термометры сопротивления Нормированы стандартом СЭВ 1057 85 для температуры от минус 60 до плюс 180 °C. Класс допуска – III. R 0 = 50 и 100 Ом. ТКС = 6, 75 10 3 К 1, = 1, 28 10 7 Ом м, W 100 = 1, 617± 0, 004. НСХ для диапазона 0… 200 °C описывается уравнением где A = 5, 86 10 – 3 K – 1, B = 8 10 – 6 К – 2.
Термометры сопротивления Платиновые термометры сопротивления • Диапазон температур от минус 269 до плюс 1100 °C. • Для рабочих термометров • Для воспроизведения МТШ • Для интервала температур 0÷ 850 °C
Термометры сопротивления Платиновые термометры сопротивления • Для интервала температур от минус 200 до 0 °C • где A = 3, 968 10– 3 C– 1, B = – 5, 847 10 – 7 C – 2, C = – 4, 22 10– 12 C– 4
Термометры сопротивления Платиновые термометры сопротивления Условное обозначение Диапазон R 0, Ом НСХ измерений, °С 1 П 1 – 50 … +1100 5 П 5 – 100…+1100 10 П 10 – 200…+1000 гр. 21 46 – 260…+1000 50 П 50 – 260…+1000 100 П 100 – 260…+1000 500 П 500 – 260…+300
Неметаллические термометры сопротивления • Для изготовления термометров сопротивления применяются полупроводниковые материалы: германий, окислы меди, марганца, кобальта, магния, титана, их смеси, углерод • Угольный термометр сопротивления имеет высокое удельное электрическое сопротивление и значительный отрицательный температурный коэффициент. Чувствительным элементом угольных термометров являются стержни из графита или углей. Графит не изменяет своих свойств при высоких температурах, такие термометры применяются для измерения температур до 2300 К. Угольный термометр не чувствителен к магнитным полям.
Неметаллические термометры сопротивления • Зависимость сопротивления полупроводников от температуры в интервалах, не превышающих 100 °С, определяется выражением • В интервале температур не более 25 °С
Неметаллические термометры сопротивления • Все полупроводниковые термопреобразователи сопротивления не отвечают полностью требованию воспроизводимости, поэтому имеют индивидуальные градуировочные характеристики. • Особенно большое распространение получили германиевые терморезисторы для измерения температур от 1, 5 K и выше. • Для интервала от 4, 2 до 13, 81 K они применяются для воспроизведения температурной шкалы. Германиевые терморезисторы, применяемые для технических измерений, имеют предел допускаемых погрешностей ±(0, 05÷ 0, 1) К. • Для эталонных германиевых терморезисторов стабильность градуировочной характеристики не хуже ± 0, 001 К.
Неметаллические термометры сопротивления • Для измерения температур от минуса 100 до плюс 300 °C применяются окисные полупроводниковые материалы. • Полупроводниковые терморезисторы (термисторы, позисторы), широко применяются в системах температурной сигнализации. Это вызвано тем, что они обладают способностью изменять свое сопротивление скачкообразно в несколько раз при достижении определенной температуры, что вызывает соответствующее увеличение тока и срабатывание системы сигнализации (релейный эффект). Это связано с тем, что при определенном уменьшении сопротивления увеличивающийся ток приводит к саморазогреву термистора (появляется положительная обратная связь).
Устройство термометров сопротивления • Чувствительный элемент платинового термометра сопротивления 1 – ЧЭ платиновых термометров – 2 или 4 платиновых спиралей 2 – капиллярные каналы керамического каркаса 3 – керамический порошок 4 – выводы из платиновой или иридиево родиевой проволоки 5 – специальная герметизирующая глазурь Интервал температур от минус 260 до плюс 1000 °C.
Устройство термометров сопротивления 1 – чувствительный элемент, выполнен в виде спирали из проволоки 2 – четырехканальный керамический каркас 3 – защитная оболочка 4 – уплотняющая керамическая втулка 5 – выводы чувствительного элемента 6 – изоляционная керамическая труба 7 – защитный чехол 8 – резьбовой штуцер 9 – винты для крепления выводов и подключения соединительных проводов 10 – изоляционная колодка 11 – соединительная головка
Устройство термометров сопротивления • Для уменьшения влияния внешних электрических и магнитных полей чувствительные элементы термометров сопротивления делают с безындуктивной (бифилярной) намоткой. • ЧЭ медного термометра сопротивления состоит из изолированной проволоки диаметром 0, 1 мм, намотанной на каркас. • Бескаркасные ЧЭ медных термометров сопротивления, намотаны изолированной проволокой диаметром 0, 08 мм • Слои скреплены лаком, весь ЧЭ обернут фторопластовой пленкой, помещен в тонкостенную защитную металлическую оболочку, которая засыпается керамическим порошком и герметизируется. • К обоим концам припаиваются медные выводы диаметром 1÷ 1, 5 мм. • Наиболее широко в рабочих термометрах используется платиновая проволока диаметром 0, 05 мм
Способы подключения термометров сопротивления Первая особенность подключения
Способы подключения термометров сопротивления Вторая особенность подключения • Для измерения сопротивления по терморезистору должен протекать ток, при этом выделяется теплота, которая нагревает термометр до более высокой температуры, чем температура измеряемой среды, что вызывает соответствующее изменение его сопротивления. • В промышленных условиях выбирают измерительный ток таким образом, чтобы погрешность за счет самонагрева не превышала 0, 1 % от R 0
Двухпроводная схема подключения Если при эксплуатации Значение температура эквивалентного соединительных сопротивления проводов будет соответствует отличаться от их сопротивлению температуры при термометра при подгонке. Возникает определенной погрешность, температуре, определяемая из например 50, 100, выражения или 250 °C. t – погрешность измерения, °C; Rлэкс – сопротивления линии при эксплуатации, Ом; Rлгрд – сопротивление линии при градуировке, Ом; S – коэффициент преобразования термометра, Ом/°C. Схема подгонки сопротивления двухпроводной линии
Трехпроводная схема подключения Четырехплечий измерительный мост Условие равновесия моста постоянного тока Измеряемое сопротивление R 1 определяется Мост приводится в равновесие сопротивлением R 3, отношение R 2/R 4 является масштабным множителем, который выбирается равным 10 n, где n целое положительное или отрицательное число, или ноль. Третье плечо моста называется плечом уравновешивания, а второе и четвертое – плечами отношения, которые задают предел измерения
Трехпроводная схема подключения Для уравновешенного моста r 2 = r 3 = r • Выполним условие R 2 = R 4, тогда условие равновесия выполняется при R 1 = R 3
Четырехпроводная схема подключения
Динамическая характеристика термопреобразователей • Динамическая характеристика термоэлектрических термометров и термометров сопротивления • K – коэффициент преобразования; T и – постоянная времени и время запаздывания • Для термометров термо. ЭДС T = 0, 01÷ 180 с и = (0, 11÷ 0, 78) T • При скачкообразном нагреве от 30 до 100 °С в баке с водой для термопреобразователя сопротивления со стальным чехлом = 8 с и T = 120 с, а с латунным чехлом = 3 с и T = 33 с.
Промышленные термопреобразователи • Термопреобразователи с унифицированным выходным сигналом ТХАУ «Метран-271» , ТСМУ «Метран-274» , ТСПУ «Метран-276» • Внесены в Госреестр средств измерений. Имеют свидетельство о взрывозащищенности электрооборудования. Термопреобразователи ТХАУ «Метран 271 Ех» , ТСМУ «Метран 274 Ех» , ТСПУ «Метран 276 Ех» могут применяться во взрывоопасных зонах, в которых возможно образование взрывоопасных смесей газов, паров, горючих жидкостей. • Предназначены для измерения температуры нейтральных и агрессивных сред. • Диапазон преобразуемых температур: • ТХАУ «Метран 271» : 0… 600, 0… 800, 0… 900, 400… 900, 0. . 1000 °С, • ТСМУ «Метран 274» : – 50… 50, 0… 100, 0… 150, 0… 180 °С, • ТСПУ «Метран 276» : – 50… 50, 0… 100, 0… 200, 0… 300, 0… 400, 0… 500. • Выходной сигнал: 0… 5; 4… 20 м. А. • Степень защиты термопреобразователя от воздействия пыли и воды IP 65 по ГОСТ 14254. Напряжение питания – от 18 до 42 В постоянного тока. Стандартный ряд монтажных длин – 80… 3150 мм.
Промышленные термопреобразователи • Термопреобразователи микропроцессорные ТХАУ «Метран-271 МП» , ТСМУ «Метран-274 МП» , ТСПУ «Метран-276 МП» • Внесены в Госреестр средств измерений. Имеют свидетельство о взрывозащищенности электрооборудования. Термопреобразователи микропроцессорные предназначены для измерения температуры жидких и газообразных сред. • Чувствительный элемент первичного преобразователя и встроенный в головку датчика микропроцессорный преобразователь преобразуют измеряемую температуру в унифицированный выходной сигнал постоянного тока, что дает возможность построения АСУТП без применения дополнительных нормирующих преобразователей. • Функциональные возможности микропроцессорного преобразователя (МП) позволяют осуществлять: • перенастройку диапазона преобразуемых температур; • детектирование обрыва или короткого замыкания первичного преобразователя температуры; • самодиагностику;
Промышленные термопреобразователи • линеаризацию номинальной статической характеристики чувствительного элемента; • перенастройку номинальной статической характеристики в случае замены чувствительного элемента на другой тип; • калибровку датчика под индивидуальную статическую характеристику чувствительного элемента по 2… 8 температурным точкам для повышения его точности; • выбор времени демпфирования измеряемого сигнала; • автоматическую компенсацию изменения температуры холодных спаев термоэлектрического преобразователя. • МП защищен от электромагнитных помех. Перенастройка, калибровка и выбор времени демпфирования осуществляются с помощью конфигуратора «Метран 671» , состоящего из специализированного модема (RS 232 / 4– 20 м. А), подключаемого к персональному компьютеру, и программного обеспечения M-Master. • Программа M-Master позволяет осуществлять следующие операции:
Промышленные термопреобразователи • считывание и отображение информации о датчике (тип датчика, серийный номер), а также изменение пользовательской информации; • считывание переменных процесса (текущее значение температуры, процент диапазона измерений, выходной сигнал в м. А, верхний и нижний пределы измерений); • конфигурирование и настройку датчика; • настройку и калибровку выходного токового сигнала; • настройку и калибровку параметров чувствительного элемента; • получение данных для дополнительной компенсации и введение дополнительной компенсации для повышения точности датчика; • диагностику датчика.
Промышленные термопреобразователи • Диапазоны преобразуемых температур: • ТХАУ «Метран 271 МП» : 0÷ 1000 °С; • ТСМУ «Метран 274 МП» : – 50÷ 180 °С; • ТСПУ «Метран 276 МП» : – 50÷ 500 °С. • Выходной сигнал: 4÷ 20 (20÷ 4) м. А • Напряжение питания: от 12 до 42 В постоянного тока. Стандартный ряд монтажных длин – 60÷ 3250 мм.
Промышленные термопреобразователи • Интеллектуальные преобразователи температуры «Метран-281» , «Метран- 286» • Внесены в Госреестр средств измерений. • Назначение Интеллектуальные преобразователи температуры (ИПТ) «Метран 280» : «Метран 281» , «Метран 286» предназначены для точных измерений температуры нейтральных и агрессивных сред. • Сигнал первичного преобразователя температуры преобразуется в унифицированный выходной сигнал постоянного тока 4… 20 м. А с наложенным на него цифровым сигналом HART версии 5 с физическим интерфейсом Веll 202 с помощью электронного модуля, встроенного в корпус первичного преобразователя. • Для передачи сигнала на расстояние используются двухпроводные токовые линии. • Коммуникационный протокол HART обеспечивает двухсторонний обмен информацией между «Метран 280» и управляющими устройствами: • ручным портативным HART коммуникатором «Метран 650» ; • компьютером, оснащенным HART модемом «Метран 681» и прог раммой H Master;
Промышленные термопреобразователи • любым средством управления HART полевыми устройствами, например, коммуникатором 375. • Управление ИПТ осуществляется дистанционно, при этом обеспечивается настройка датчика: • выбор его основных параметров; • перенастройка диапазонов измерений; • запрос информации о самом ИПТ (типе, модели, серийном номере, максимальном и минимальном диапазонах измерений, фактическом диапазоне измерений). • В «Метран 280» реализованы три единицы измерения температуры: • градусы Цельсия, °С; • градусы Кельвина, К; • градусы Фаренгейта, F.
Промышленные термопреобразователи • Электронный модуль (ЭМ) осуществляет: • контроль перенастройки диапазонов измерений температуры с учетом минимальной разницы между верхним и нижним значениями диапазона: • 100 °С – для «Метран 281» ; • 50 °С – для «Метран 286» ; • детектирование обрыва или короткого замыкания первичного преобразователя температуры (ППТ); • самодиагностику состояния ИПТ; • линеаризацию НСХ чувствительного элемента первичного преобразователя температуры; • автокомпенсацию изменения термо. ЭДС от изменения температуры холодных спаев чувствительного элемента первичного преобразователя температуры.
Промышленные термопреобразователи • HART протокол позволяет получить более подробную диагностическую информацию о неисправности конкретного компонента. • В «Метран 280» реализован режим защиты настроек датчика от несанкционированного доступа. • В многоточечном режиме датчик «Метран 280» работает в режиме только с цифровым выходом. Аналоговый выход автоматически устанавливается в 4 м. А и не зависит от значения входной температуры. Информация о температуре считывается по HART протоколу. К одной паре проводов может быть подключено до 15 датчиков. Каждый датчик в многоточечном режиме имеет свой уникальный адрес от 1 до 15. • Установка многоточечного режима не рекомендуется в случае, если требуется искробезопасность. • Диапазон измеряемых температур: • «Метран 281» : от – 40 до 1000 °С; • «Метран 286» : от – 50 до 500 °С. • Питание – от 18 до 42 В постоянного тока. Стандартный ряд монтажных длин – от 80 до 3150 мм.
05 Измерение температуры.ppt
- Количество слайдов: 97