Методы и средства измерений температуры

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:

 (1)

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

 (2)

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

 (1)

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

, (1)

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.