Методы и средства измерений температуры

Содержание

Введение

Повышение эффективности  промышленных объектов идет по пути совершенствования как самих технологических процессов, так и процессов управления ими. Немаловажным фактором, затрудняющим построение систем управления, является то, что технологи, хорошо знающие, что следует измерять в объекте, как правило, плохо осведомлены о возможностях современной измерительной техники.

Весьма важно, чтобы с новыми приборами и  методами были хорошо знакомы как производственники, так и лица, занимающиеся исследовательской работой. При этом они должны совершенно отчетливо представлять себе, в каких областях эти новые приборы и методы наиболее целесообразно использовать, с какими это сопряжено затратами времени (и средств) и какова точность получаемых с их помощью результатов.

Роль измерений при наблюдении за производственными процессами заметно отличается от роли измерений при проведении лабораторных опытов (физико-химических экспериментов). В первом случае задачей измерений является лишь получение численного значения наблюдаемой характеристики объекта измерений для контроля за правильностью осуществления известных операций производства. При проведении же опытов результат измерений рассматривается как отклик на целенаправленное изменение условий эксперимента, проводимого с целью получения неизвестных ранее сведений об исследуемом объекте.

Одним из важнейших параметров, как лабораторных экспериментов, так и технологических процессов многих отраслей промышленности является температура. По оценкам отечественных и зарубежных специалистов технические измерения температуры составляют 40-50% общего числа всяких измерений. Поэтому качество температурного контроля часто обуславливает успех процесса производства.

Высокопроизводительная, экономичная и безопасная работа технологических агрегатов машиностроительной промышленности требует применения современных методов и средств измерения величин, характеризующих ход производственного процесса и состояние оборудования.

Актуальностью темы является, что в современной техники для решения задач автоматического контроля все шире применяют полупроводники, лазеры, радиоактивные материалы, ЭВМ. Металлургическая промышленность является одной из основных отраслей народного хозяйства, в ней занято большое количество трудящихся, обслуживающих мощные и сложные агрегаты. При высоких производительностях даже самые небольшие ошибки управления агрегатом приводят к большим абсолютным потерям металла, топлива, электроэнергии. По этому возрастает роль автоматического контроля и управления производственными процессами. Все основные металлургические агрегаты (доменные и мартеновские печи, прокатные станы) оснащены различными системами автоматического контроля и управления и в значительной степени механизированы.

Основными параметрами (величинами), которые необходимо контролировать при работе металлургических агрегатов, является температура различных сред; расход, давление, состав газов и жидкостей; состав металлов; геометрические размеры проката. Автоматическими приборами измеряется температура: в рабочих пространствах металлургических печей, выплавляемого и нагреваемого металла, элементов огнеупорной кладки, конструкции регенераторов и рекуператоров, а так же продуктов сгорания топлива.

Цель курсовой работы изучить методы и средства измерений температуры.

Задачи курсовой работы:

1. Изучить определение температуры.
2. Изучить методы получения и контроля температуры.

Объектом является измерение температуры.

1. температура и температурные шкалы

1.1. Определение  понятий температуры

Температурой  называют величину, характеризующую тепловое состояние тела. Согласно кинетической теории температуру определяют как меру кинетической энергии поступательного движения молекул. Отсюда температурой называют условную статистическую величину, прямо пропорциональную средней кинетической энергии молекул тела.

Все предлагаемы  температурные шкалы строились (за редким исключением) одинаковым путем: двум (по меньшей мере) постоянным точкам присваивались определенные числовые значения и предполагалось, что видимое  термометрическое свойство используемого в термометре вещества линейно связанно с температурой t:

где k – коэффициент  пропорциональности; E – термометрическое свойство; D – постоянная.

Принимая для  двух постоянных точек определенные значения температур, можно вычислить постоянные k, D и на этой основе построить температурную шкалу. При изменении температуры коэффициент k меняется, при чем различно для разных термометрических веществ. Поэтому термометры, построенные на базе различных термометрических веществ с равномерной градусной шкалой, давали при температурах, отличающихся от температур постоянных точек, различные показания. Последние становились особенно заметными при высоких (много больших температуры кипения воды) и очень низких температурах.

Термодинамическая шкала тождественна шкале идеального газа, построенной на зависимости давления идеального газа от температуры. Законы изменения давления от температуры для реальных газов отклоняются от идеальных, но поправки на отклонения реальных газов невелики и могут быть установлены с высокой степенью точности. Поэтому, наблюдая за расширением реальных газов и вводя поправки, можно оценить температуру по термодинамической шкале.

В начале XX века широко применялись шкалы Цельсия  и Реомюра, а в научных работах  – также шкалы Кельвина и водородная. Пересчеты с одной шкалы на другую создавали большие трудности и приводили к ряду недоразумений. Поэтому в 1933 году было принято решение о введении Международной температурной шкалы (МТШ).

Опыт применения МТШ показал необходимость внесения в нее ряда уточнений и дополнений, чтобы по возможности максимально приблизить ее к термодинамической шкале. Поэтому МТШ была пересмотрена и приведена в соответствие с состоянием знаний того времени. В 1960 году было утверждено новое «Положение о международной практической температурной шкале 1948 года. Редакция 1960 г.»

Температуру определяют косвенно – по изменению физических свойств различных тел, получивших название термометрических. Для практических целей, связанных с измерением температуры, принята Международная практическая температурная шкала (МПТШ-68), которая является обязательной для всех метрологических органов и основывается на ряде воспроизводимых состояний равновесия (реперных точек) некоторых веществ, которым присвоены определённые значения температуры.

1.2. Устройства для измерения температур

Температуру измеряют с помощью устройств, использующих различные термометрические свойства жидкостей, газов и твердых тел. Существуют десятки различных устройств применяемых в промышленности, при научных исследованиях, для специальных целей.

В таблице 1 приведены  наиболее распространенные устройства для измерения температуры и  практические пределы их применения.

Таблица 1

2. Методы и технические средства измерения температуры

2.1. Измерение температуры

Все приборы  для измерения температуры условно  можно разделить на две большие  группы: контактные и бесконтактные. Контактные способы основаны на непосредственном контакте измерительного преобразователя температуры с исследуемым объектом, в результате чего добиваются состояния теплового равновесия преобразователя и объекта. Этому способу присущи свои недостатки. Температурное поле объекта искажается при введении в него термоприемника. Температура преобразователя всегда отличается от истинной температуры объекта. Верхний предел измерения температуры ограничен свойствами материалов, из которых изготовлены температурные датчики. Кроме того, ряд задач измерения температуры в недоступных вращающихся с большой скоростью объектах не может быть решен контактным способом.

Бесконтактный способ основан на восприятии тепловой энергии, передаваемой через лучеиспускание и воспринимаемой на некотором расстоянии от исследуемого объема. Этот способ менее  чувствителен, чем контактный. Измерения температуры в большой степени зависят от воспроизведения условий градуировки при эксплуатации, а в противном случае появляются значительные погрешности. Устройство, служащее для измерения температуры путем преобразования ее значений в сигнал или показание, называется термометром (ГОСТ 13417-76).

По принципу действия все термометры делятся  на следующие группы, которые используются для различных интервалов температур:

1 Термометры  расширения от -260 до +700 °С, основанные  на изменении объемов жидкостей или твердых тел при изменении температуры.

2 Манометрические термометры от -200 до +600 °С, измеряющие температуру по зависимости давления жидкости, пара или газа в замкнутом объеме от изменения температуры.

3. Термометры  электрического сопротивления стандартные от -270 до +750 °С, преобразующие изменение температуры в изменение электрического сопротивления проводников или полупроводников.

4. Термоэлектрические  термометры (или пирометры), стандартные  от -50 до +1800 °С, в основе преобразования  которых лежит зависимость значения электродвижущей силы от температуры спая разнородных проводников.

5. Пирометры излучения от 500 до 100000 °С, основанные на измерении температуры по значению интенсивности лучистой энергии, испускаемой нагретым телом,

6. Термометры, основанные на электрофизических явлениях от -272 до +1000 °С (термошумовые термоэлектрические преобразователи, объемные резонансные термопреобразователи, ядерные резонансные).

2.2. Технические  средства измерения

Жидкостные стеклянные термометры

Самые старые устройства для измерения температуры – жидкостные стеклянные термометры – используют термометрическое свойство теплового расширения тел. Действие термометров основано на различии коэффициентов теплового расширения термометрического вещества и оболочки, в которой она находится (термометрического стекла или реже кварца).

Жидкостный термометр  состоит из стеклянных баллона 1, капиллярной  трубки 3 и запасного резервуара 4 (рис. 1). Термометрическое вещество 2 заполняет  баллон и частично капиллярную трубку. Свободное пространство в капиллярной трубке и в запасном резервуаре заполняется инертным газом или может находиться под вакуумом. Запасной резервуар или выступающая за верхним делением шкалы часть капиллярной трубки служит для предохранения термометра о порчи при чрезмерном перегреве.

В качестве термометрического  вещества чаще всего применяют химически  чистую ртуть. Она не смачивает стекла и остается жидкой в широком интервале  температур. Кроме ртути в качестве термометрического вещества в стеклянных термометрах применяются и другие жидкости, преимущественно органического происхождения. Например: метиловый и этиловый спирт, керосин, пентан, толуол, галлий, амальгама таллия.

Основные достоинства  стеклянных жидкостных термометров  – простота употребления и достаточно высокая точность измерения даже для термометров серийного изготовления. К недостаткам стеклянных термометров можно отнести: плохую видимость шкалы (если не применять специальной увеличительной оптики) и невозможность автоматической записи показаний, передачи показаний на расстояние и ремонта.

Стеклянные  жидкостные термометры имеют весьма широкое применение и выпускаются  следующих основных разновидностей:

1. технические ртутные, с вложенной шкалой, с погружаемой в измеряемую среду нижней частью, прямые и угловые;
2. лабораторные ртутные, палочные или с вложенной шкалой, погружаемые в измеряемую среду до отсчитываемой температурной отметки, прямые, небольшого наружного диаметра;
3. жидкостные термометры (не ртутные);
4. повышенной точности и образцовые ртутные термометры;
5. электроконтактные ртутные термометры с вложенной шкалой, с впаянными в капиллярную трубку контактами для разрывания (или замыкания) столбиком ртути электрической цепи;
6. специальные термометры, в том числе максимальные (медицинские и другие), минимальные, метеорологические и другого назначения.

У лабораторных и других термометров, градуируемых и предназначенных для измерения  при погружении в измеряемую среду  до отсчитываемого деления, могут возникать  систематические погрешности за счет выступающего столбика термометра. Если капиллярная трубка будет погружена в измеряемую среду не полностью, то температура выступающей части капиллярной трубки будет отличаться от температуры измеряемой среды, в результате возникнет погрешность измерения. Поправку в градусах на выступающий столбик в показания термометра можно внести по уравнению:

где - коэффициент видимого объемного теплового расширения термометрической жидкости в стекле , t – действительная температура измеряемой среды ⁰C, t_в.с. – температура выступающего столбика, измеренная с помощью вспомогательного термометра ⁰С, n – число градусов в выступающем столбике.

У термометров, предназначенных для работы с  неполным погружением, может возникнуть аналогичная систематическая погрешность, если температура окружающей среды, а следовательно, и выступающего столбика будут отличаться от его температуры при градуировке. Поправка , в этом случае

где - температура выступающего столбика при градуировке ⁰C (в первом приближении допустимо считать ), - средняя температура выступающего столбика ⁰С.

Поправки по (1) и (2) могут иметь большие значения у термометров с органическими термометрическими жидкостями, для которых коэффициент примерно на порядок выше, чем у ртутных термометров.

Манометрические термометры

Манометрические термометры основаны на известной зависимости давления Р термометрического вещества в замкнутой системе с объемом V=const от температуры Т

PV=RT,

где R—универсальная газовая постоянная.

В качестве термометрического  вещества могут использоваться разнообразные  вещества, находящиеся в различном фазовом состоянии. В зависимости от этого выделяют основные три типа манометрических термометров: газовые, в которых система заполнена, как правило, инертным газом (азотом, реже водородом); жидкостные, в которых в качестве наполнителя используется жидкость (органические жидкости, редко ртуть); конденсационные, заполненные отчасти низкокипящей жидкостью, отчасти ее насыщенными парами. Структурно все манометрические термометры состоят из замкнутой системы, в которую входят: первичный измерительный преобразователь ПИП—термобаллон ТЕ; линия связи ЛС—капиллярная трубка КГ; измерительный преобразователь или прибор ИП— манометрический преобразователь МП. Вся система прибора заполнена термоманометрическим веществом.

Конструктивно термобаллон 1 в виде продолговатого стального или латунного цилиндра заключают в защитный кожух 5, соединяемый с объектом, в котором измеряют температуру. Кожух предохраняет ТБ от механического и химического разрушения и позволяет осматривать и заменять ТБ без нарушения герметичности объекта, ТБ соединяется с манометрическим преобразователем 3 с помощью медной соединительной капиллярной трубки 2. КТ защищена от механического повреждения гибкой стальной пружинящей трубкой 4, ее длина может доходить до 40 м. При нагревании ТБ давление температуре t приблизительно имеет вид вещества внутри замкнутой системы увеличивается. Его увеличение воспринимается МП, который воздействует на отсчетное устройство показывающего или самопишущего прибора или на унифицированный стандартный преобразователь ГСП с выходным пневматическим или электрическим сигналом.

Термометры электрического сопротивления

Измерение температуры  термометрами электрического сопротивления (ТС) основано на свойствах проводников  и полупроводников изменять свое активное электрическое сопротивление при изменении их температуры.

Для большинства  проводниковых ТС зависимость активного  электрического сопротивления Rt при

{Rt=Ro(l+at)}

где Ro — начальное сопротивление проводника при t=to;

а — температурный  коэффициент электрического сопротивления.

Исходя из этой зависимости, можно сформулировать требования к материалам для ТС:

1. В материалах предпочтителен большой температурный коэффициент электрического сопротивления а, так как относительная чувствительность ТС определяется из (3-1) его значением;

Температурный коэффициент  а принято характеризовать, измеряя  сопротивление проводника при t=0 °C, т.е. Ro , и при t=100°C, т. е. R₁₀₀, вычисляя его среднее значение или величину R₁₀₀/Ro, отн. ед., и разброс ±Dа.

2. Желательны проводники с большим удельным сопротивлением либо для достижения большого значения Ro, так как абсолютная чувствительность ТС определяется произведением S_абц =DR/Dt = Ro*a, либо при выбранном Ro для уменьшения массы провода и улучшения инерционности ТС (при заданной его надежности).
3. Изменение сопротивления под действием температуры желательно иметь линейное или близкое к нему и однозначное (без гистерезисных явлений).
4. Выбирают материалы химически стойкие, неизменные во времени, легко воспроизводимые в химически и физически чистом виде.

В соответствии с этими требованиями для стандартных  ТС (ГОСТ 6651—78) используется медь и  платина. При температуре i полное сопротивление Rt платинового ТС определяется зависимостями

для t>0⁰С R_t=R₀(1+At±Bt²), (3.3)

для t<0⁰C R_t=R₀[1+At+Bt²+Ct³(t-100)] (3.4)

для платины  марки Пл-2, применяемой для стандартных  ТС, коэффициенты имеют значения:

А =3,96847*10^-3 К^-1; В=5,847*10^-7 К^-2; С=—4,22х*10^-12 К^-4 , а для медных ТС изменение сопротивления соответствует зависимости (3-1), где а=4.26*10^-3 1/К.

Конструктивное устройство современных медных ТС. Он представляет собой бескаркасную безындукционную катушку из медной проволоки диаметром 0,08 мм, покрытую фторопластовой пленкой 2. К обмотке припаяны два вывода 3. Для обеспечения виброустойчивости и герметичности чувствительный элемент ТС помещается в тонкостенную металлическую гильзу с керамическим порошком и герметизируется.

Термоэлектрические термометры

Для измерения температуры  в металлургии наиболее широкое  распространение получили термоэлектрические термометры, работающие в интервале температур от -200 до +2500 0C и выше. Данный тип устройств характеризует высокая точность и надежность, возможность использования в системах автоматического контроля и регулирования параметра, в значительной мере определяющего ход технологического процесса в металлургических агрегатах.

Сущность термоэлектрического  метода заключается в возникновении  ЭДС в проводнике, концы которого имеют различную температуру. Для  того, чтобы измерить возникшую ЭДС, ее сравнивают с ЭДС другого проводника, образующего с первым термоэлектрическую пару AB (рис. 3), в цепи которой потечет ток.

Результирующая  термо-ЭДС цепи, состоящей из двух разных проводников A и B (однородных по длине), равна

или

где и - разности потенциалов проводников A и B соответственно при температурах t₂ и t₁, мВ.

Термо-ЭДС данной пары зависит только от температуры t₁ и t₂ и не зависит от размеров термоэлектродов (длины, диаметра), величин теплопроводности и удельного электросопротивления.

Для увеличения чувствительности термоэлектрического  метода измерения температуры в  ряде случаев применяют термобатарею: несколько последовательно включенных термопар, рабочие концы которых  находятся при температуре t₂, свободные при известной и постоянной температуре t₁.

Устройство  термоэлектрических термометров

Термоэлектрический термометр (ТТ) – это измерительный преобразователь, чувствительный элемент которого (термопара) расположен в специальной защитной арматуре, обеспечивающий защиту термоэлектродов от механических повреждений и воздействия измеряемой среды. На (рис. 4) показана конструкция технического ТТ. Арматура включает защитный чехол 1, гладкий или с неподвижным штуцером 2, и головку 3, внутри которой расположено контактное устройство 4 с зажимами для соединения термоэлектродов 5 с проводами, идущими от измерительного прибора к термометру. Термоэлектроды по всей длине изолированы друг от друга и от защитной арматуры керамическими трубками (бусами) 6.

Защитные чехлы выполняются  из газонепроницаемых материалов, выдерживающих  высокие температуры и агрессивное  воздействие среды. При температурах до 10000С применяют металлические  чехлы из углеродистой или нержавеющей  стали, при более высоких температурах – керамические: фарфоровые, карбофраксовые, алундовые, из диборида циркония и т. п.

В качестве термоэлектродов  используется проволока диаметром 0.5 мм (благородные металлы) и до 3 мм (неблагородные металлы). Спай на рабочем конце 7 термопары образуется сваркой, пайкой или скручиванием. Последний способ используется для вольфрам-рениевых и вольфрам-молибденовых термопар.

Термоэлектрические термометры выпускаются двух типов: погружаемые, поверхностные. Промышленность изготавливает  устройства различных модификаций, отличающихся по назначению и условиям эксплуатации, по материалу защитного чехла, по способу установки термометра в точке измерения, по герметичности и защищенности от действия измеряемой среды, по устойчивости к механическим воздействиям, по степени тепловой инерционности и т. п.

Электрические термометры сопротивления

В металлургической практике для измерения температур до 6500С применяются термометры сопротивления (ТС), принцип действия которых основан  на использовании зависимости электрического сопротивления вещества от температуры. Зная данную зависимость, по изменению величины сопротивления термометра судят о температуре среды, в которую он погружен. Выходным параметром устройства является электрическая величина, которая может быть измерена с весьма высокой точностью (до 0.020С), передана на большие расстояния и непосредственно использована в системах автоматического контроля и регулирования.

В качестве материалов для  изготовления чувствительных элементов  ТС используются чистые металлы: платина, медь, никель, железо и полупроводники.

Изменение электросопротивления данного материала при изменении  температуры характеризуется температурным коэффициентом сопротивления , который вычисляется по формуле

где t – температура материала, ⁰С;

R₀ и R_t – электросопротивление соответственно при 0 ⁰С и температуре t, Ом.

Сопротивление полупроводников с увеличением  температуры резко уменьшается, т. е. они имеют отрицательный  температурный коэффициент сопротивления практически на порядок больше, чем у металлов. Полупроводниковые термометры сопротивления (ТСПП) в основном применяются для измерения низких температур (1.5 ¸ 400 К).

Достоинствами ТСПП являются небольшие габариты, малая инерционность, высокий коэффициент . Однако они имеют и существенные недостатки:

1. нелинейный характер зависимости сопротивления от температуры;
2. отсутствие воспроизводимости состава и градуировочной характеристики, что исключает взаимозаменяемость отдельных ТС данного типа. Это приводит к выпуску ТСПП с индивидуальной градуировкой.

Типы  и конструкции ТС

Для решения  различных задач ТС делятся на эталонные, образцовые и рабочие, которые в свою очередь подразделяются на лабораторные и технические.

Эталонные ТС предназначены  для воспроизведения и передачи шкалы МПТШ в интервале 13.81 ¸ 903.89 К.

Технические ТС в зависимости  от назначения и конструкции делятся  на: погружаемые, поверхностные и комнатные; защищенные и не защищенные от действия агрессивной среды; стационарные и переносные; термометры 1-го, 2-го и 3-го классов точности и т. д. На (рис. 5) представлены конструкции промышленных ТС с неподвижным (а) и подвижным (б) штуцерами. Термометр состоит из чувствительного элемента 1, расположенного в защитном стальном чехле 3, на котором приварен штуцер 2 с резьбой М27х2. Провода 4, армированные фарфоровыми бусами 6, соединяют выводы чувствительного элемента с клеммной колодкой 5, находящейся в корпусе головки 7. Сверху головка закрыта крышкой 8, снизу имеется сальниковый ввод 9, через который осуществляется подвод монтажного кабеля 10. При измерении температуры сред с высоким давлением на чехол ТС устанавливается специальная защитная (монтажная) гильза 12.

Чувствительный элемент  ТС выполнен из металлической тонкой проволоки с безындукционной  каркасной или бескаркасной намоткой.

Значительно реже в металлургической практике встречаются  полупроводниковые термометры сопротивления (ТСПП) для измерения температуры (-90)¸(+180) 0С. Их применяют в термореле, низкотемпературных регуляторах, обеспечивающих высокоточную стабилизацию чувствительных элементов газоанализаторов, хроматографов, корпусов пирометров, электродов термоэлектрических установок для экспресс-анализа состава металла и т. п.

Измерение термо-ЭДС компенсационным  путем

Измерение термо-ЭДС  термопары прямым путем, по силе тока в цепи постоянного сопротивления, с помощью милливольтметра, можно  осуществить сравнительно просто. Однако этот метод обладает рядом недостатков, создающих дополнительные погрешности, что в большинстве случаев не позволяет получить высокой точности измерения.

В измерительной  технике кроме прямых методов  измерения известны компенсационные  метода или методы противопоставления (сравнения) неизвестной величины величине известной. Компенсационные методы позволяют провести измерения более точно, хотя и не всегда так просто, как прямое измерение.