МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Государственное образовательное учреждениевысшего профессионального образования

«Воронежский государственный технический университет»

Булыгин Ю.А., Скуфинский А.И., Соколов С.А.

«МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ В НЕФТЕГАЗОВОМ ОБОРУДОВАНИИ»

Утверждено редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия

Воронеж 2004

3

УДК 386

Булыгин Ю.А., Скуфинский А.И., Соколов С.И. Методы измерения температуры в нефтегазовом оборудовании: Учебно-методческое пособие. Воронеж: Воронеж. гос. техн. ун-т., 2004. 64с.

В учебном пособии рассматриваются средства для измерения температуры, используемые в нефтегазовой отрасли: классификация термометров и термопар, погрешности средств измерения температуры, их установка и использование.

Учебное пособие соответствует требованиям Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 130500 «Нефтегазовое дело», специальности 130501 «Проектирование, сооружение и эксплуатация газонефтепроводов и газонефтехранилищ», дисциплине «Метрология, стандартизация и сертификация».

Учебное пособие подготовлено в электронном виде в текстовом редакторе MS Word XP и содержится в файле ТемператураУЧпос.doc.

Табл. 2. Ил. 10. Библиогр.: 8 назв.Научный редактор д-р техн. наук, проф. С.Г. ВалюховРецензенты: ФГУП «Турбонасос»; д-р техн. наук, проф. А.Н. Осинцев

© Булыгин Ю.А., Скуфинский А.И., Соколов С.А., 2004 © Оформление. Воронежский государственный технический

4

университет, 2004

5

ВВЕДЕНИЕ

Температура является одним из важнейших параметров технологических процессов. Измерение температуры технологических сред необходимо практически во всех установках, связанных с добычей, транспортировкой, переработкой и хранением нефти, газа и нефтепродуков.

Настоящее учебное пособие обобщает необходимые сведения об измерителях температуры, используемых в нефтегазовой отрасли.

Термины и определения приведены в приложении А.

3

1 ТЕМПЕРАТУРА И ЕДИНИЦЫ ИЗИМЕРЕНИЯ1.1 Международная температурная шкала

1.1.1 До введения термодинамической шкалы температур применялись интервальные температурные шкалы (Фаренгейта, Реомюра, Цельсия), реализуемые с помощью жидкостных термометров. Их недостаток – нелинейное отклонение шкалы от термодинамической, обусловленное свойствами рабочих веществ.

1.1.2 Удовлетворяющая всем требованиям хорошо воспроизводимая температурная шкала, не зависящая от значения температуры и каких-либо свойств веществ, была разработана в 1848 году У. Томсоном (лордом Кельвином) и называется термодинамической температурной шкалой Кельвина (ТТШК). В 1954 году десятая Генеральная конференция по мерам и весам (ГКМВ) определила единицей термодинамической температуры градус Кельвина как 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды. С 1967 года единица термодинамической температуры называется кельвин (К).

Основное правило, предъявляемое к температурной шкале, - измеренные по ней температуры должны совпадать с температурами, входящими в формулы термодинамики и статистической физике, служащие основой для теплофизических расчетов. Такая термодинамическая шкала вводится посредством цикла Карно. Термодинамическая шкала может быть введена также согласно второму закону термодинамики.

1.1.3 При измерении температуры по термодинамической шкале на практике применяют обычно не цикл Карно, а одно из строгих следствий второго начала термодинамики, связывающих удобно измеряемое термодинамическое свойство с термодинамической температурой: законы идеального газа, законы излучения абсолютно черного тела и т.д. термометры, для которых

4

температурная зависимость Т(х) получена из этих соотношений, часто называют первичными.

1.1.4 Первичные термометры высокой точности представляют собой, в большинстве своем, громоздкие устройства, непригодные для практических применений. Их назначение – передать термодинамическую температурную шкалу удобным чувствительным и стабильным вторичным термометрам.

Способ градуировки вторичных платиновых термометров с внесением поправок в реперных (опорных) точках лежит в основе международной температурной шкалы, которая воспроизводит температуры по термодинамической температурной шкале с минимальными отклонениями от последней. Важное преимущество международной температурной шкалы – ее независимость от конкретного термометра – носителя шкалы.

1.1.5 Реализация термодинамической шкалы на практике требует проведения большого числа экспериментов, поэтому на основе международных соглашений была принята чисто эмпирическая, легко воспроизводимая шкала, так называемая Международная практическая температурная шкала (МПТШ), которая приближается к термодинамической температурной шкале Кельвина (ТТШК). В настоящее время в качестве стандарта принята уточненная в 1990 году шкала МТШ-90. Температуры основных реперных точек МТШ-90 приведены в приложении Б.

1.1.6 В диапазоне от своего нижнего предела, равного 0,65 К, и до 5 К МТШ-90 воспроизводится по давлению насыщенных паров гелия. В интервале 3…13,8 К используется газовый термометр, а в интервале 13,8…24,5 К допускается применение как газового термометра, так и платинового термометра сопротивления. Выше 24,5 К и вплоть до 1235 К МТШ-90 воспроизводится платиновым термометром, а при более

5

высоких температурах – радиационным пирометром, измеряющим отношение спектральных плотностей светового потока абсолютно черных тел согласно закону излучения Планка.

1.1.7 В области температур ниже 0,65 К чаще других применяют температурные шкалы, основанные на законе Кюри для магнитной восприимчивости электронных и ядерных парамагнетиков, флуктуациях напряжений на электронном сопротивлении, а также на температурной зависимости давления в точке плавления гелия-3. для градуировки термометров в этом случае обычно используют температуры перехода в сверхпроводящее состояние некоторых металлов и сплавов, из которых самую низкую температуру имеет переход в вольфраме (15,5 мК), а также температуры перехода жидкого гелия-3 в сверхтекучее состояние (2,78 мК), перехода его во вторую сверхтекучую фазу (2,18 мК) и переход твердого гелия-3 в антиферромагнитное состояние (1,1 мК).

1.1.8 Государственные первичные эталоны России воспроизводят МТШ-90 в двух поддиапазонах: 0,8…273,16 К и 273,16…2773 К. Основную часть низкотемпературного эталона составляют две группы железо – родиевых и платиновых термометров сопротивления, каждая из них содержит два платиновых и два железо – родиевых термометра, постоянно помещенных в блок сравнения – массивный цилиндр с четырьмя продольными каналами для термометров, что существенно повышает их долговременную стабильность.

1.1.9 Градуировочные зависимости термометров определены по результатам международных сличений результатов, полученных национальными термометрическими лабораториями России, Великобритании, США, Австралии и Нидерландов.

1.1.10 В контактной термометрии рабочими эталонами нулевого разряда - государственными эталонами для

6

воспроизведения МТШ – оснащены РОСТЕСТ – Москва, ТЕСТ – Санкт – Петербург, Уральский ЦСМ (г. Екатеринбург) и СНИИМ (г. Новосибирск).

1.1.11 Основными и практически единственными производителями эталонных платиновых термометров сопротивления являются ВНИИМ им. Менделеева и Владимирский завод «Эталон». Ими выпускаются рабочие платиновые термометры с первого по третий разряд для диапазона измерений от 13,8К до 1085оС, в том числе капсульные термометры типа ТСПН для температур от 13,8 К до 100оС; стержневые платиновые термометры ПТС-10М, ЭТС-25, ЭТС-50 для диапазона от 13,8 К (-259оС) до 660оС и высокотемпературные термометры сопротивления типа ВТС для диапазона 410…1085оС.

1.1.12 Эталонные термоэлектрические преобразователи типа ППО и ПРО выпускает Омский опытный завод «Эталон». Им также поставляется нулевой, паровой, регулируемый и сухоблочный термостаты для поверки рабочих термопреобразователей на температуры от 0 до 1200оС.

2 КЛАССИФИКАЦИЯ СРЕДСТВ ИЗИМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

2.1 Основные типы контактных термометровКроме задания реперных точек, определяемых с

помощью эталона температуры, необходимо выбрать термодинамическое свойство вещества, зависящее от температуры (признак температуры), которое должно быть достаточно легко воспроизводимых. Это позволяет набор температурных точек, промежуточных по отношению к реперным точкам.

Для числовой характеристики температуры необходимо выбрать признак изменения температуры, тоже достаточно легко воспроизводимый, позволяющий получить упорядоченный набор температурных чисел. Такими

7

признаками могут быть, например: изменение объема, изменение электрического сопротивления, возникновение электрического тока и т.п. соответствующие этим признакам приборы для измерения температуры будут: газовый и жидкостной термометры, термометр сопротивления, термопара.

2.1.1 Газовые термометрыГазовые термометры используют для градуировки

других видов термометров, например жидкостных, которые более удобны на практике, однако шкала жидкостных термометров, проградуированных по газовым, оказывается неравномерной.

Газовые термометры имеет наибольшее значение среди первичных термометров. Их действие основано на уравнении состояния идеального газа. Они обеспечивает точность 2х10-3 К в интервале температур 2…400 К. Газовые термометры имеет то преимущество, что температура, определяемая с их помощью при малых плотностях газа, в широких пределах не зависит от природы используемого газа, а шкала газовых термометров хорошо совпадает с абсолютной шкалой температур.

2.1.2 Акустические термометрыВ акустических термометрах также применяется газ,

однако, при низких температурах (2…20 К) акустический термометр имеет точность на порядок меньшую, чем газовый.

2.1.3 Шумовые термометрыВ качестве первичного может применяться и термометр,

основанный на измерении шумового напряжения на электрическом сопротивлении. Точность шумовых термометров обычно не превышает 0,1%, и их применяют при очень низких (ниже нескольких градусов Кельвина) или при высоких (свыше 1000 К) температурах, а также в условиях высокого радиационного фона, когда происходит сравнительно быстрое разрушение любого термометра.

8

2.1.4 Магнитные термометрыДля измерения температур ниже нескольких градусов

Кельвина часто применяют магнитные термометры, принцип действия которых основан на законе Кюри для идеального парамагнетика. К числу наиболее употребляемых парамагнитных материалов относятся церий - магниевый нитрат (0,006…3 К), а также медь и платина (10-6…0,1 К).

2.1.5 Жидкостные термометрыЖидкостные термометры - наиболее распространенные в

практических измерениях вторичные термометры, принцип действия которых основан на изменении объема жидкости при изменении ее температуры. Ртутные термометры используются в диапазоне температур от –39оС до 600оС. при высоких температурах (свыше 300оС) в капилляр накачивают азот (давление до 107 Па), чтобы воспрепятствовать кипению ртути. Добавлением таллия нижнюю температуру, измеряемую ртутным термометром, можно понизить до –59оС. другими видами широко распространенных жидкостных термометров являются спиртовой (диапазон измерений от –100 до 50оС) и пентановый (от –200 до 20оС).

2.1.6 Металлические термометры сопротивления (термопреобразователи сопротивления)

Измерение температуры основано на явлении роста сопротивления металла с ростом температуры. Для большинства металлов вблизи комнатной температуры эта зависимость близка к линейной, а температурный коэффициент сопротивления для чистых металлов имеет величину, близкую к 4х10-3 /оС. термометрическим признаком является электрическое сопротивление термометрического тела – металлического электрода. Чаще всего в качестве электродов используют платиновую или медную проволоку, а также различные сплавы платины или меди. Диапазон применения таких термометров – от 20 К до сотен Кельвинов. При низких температурах в металлических термометрах

9

зависимость сопротивления от температуры становится существенно нелинейной и термометр требует калибровки.

2.1.7 Полупроводниковые термометры сопротивления (термисторы)

Измерения температуры основано на явлении уменьшения сопротивления полупроводников с ростом температуры. Так как температурный коэффициент сопротивления полупроводников по абсолютной величине может значительно превосходить соответствующий коэффициент металлов, то и чувствительность таких термометров может значительно превосходить чувствительность металлических термометров.

Специально изготовленные полупроводниковые термометры сопротивления могут быть использованы при низких (гелиевых) температурах. Однако в обычных полупроводниковых сопротивлениях возникают дефекты, обусловленные воздействием низких температур, что приводит к отсутствию воспроизводимости результатов измерений. Чаще всего в качестве материала для термистора используют германий – для измерения температур ниже 100 К, и углерод (уголь) – 0,001…10 К.

2.1.8 Термопары (термоэлектрические преобразователи)

Термопары представляет собой спай двух металлических термоэлектродов, находящихся в зоне измеряемой температуры, при этом другие концы термоэлектродов находятся при известной температуре. К свободным концам подключают измерительный прибор, образуя таким образом замкнутый электрический контур. Электродвижущая сила (термоЭДС), возникающая в таком контуре, зависит от разности температур – спая и свободных концов. Таким образом, термометрическим телом является спай двух металлов, а термометрическим признаком – возникающая в цепи термоЭДС.

10

Чувствительность термопар составляет от единиц до сотен мкВ/К, а диапазон измеряемых температур – от азотных до полутора тысяч градусов Цельсия (для термопар из благородных металлов). Наибольшее применение нашли следующие термопары: платино – родиевая, хромель – алюмелевая, хромель – копелевая, медь – константановая, иридие – родиевая.

Следует отметить, что термопары способна измерить только разность температур. Свободные концы находятся, как правило, при температуре помещения, в котором находится оператор. Поэтому для измерения температуры термопарами необходимо использовать дополнительный термометр для определения комнатной температуры или систему компенсации изменения температуры свободных концов.

2.2 Основные типы бесконтактных термометровО температуре нагретого тела можно судить на

основании измерения параметров его теплового излучения, представляющего собой электромагнитные волны различной длины. Чем выше температура тела, тем больше энергии оно излучает.

Термометры, действие которых основано на измерении теплового излучения, называют пирометрами. Они позволяют контролировать температуру от 100 до 6000оС и выше, кроме того, пирометры могут быть использованы для измерения и более низких температур. Одним из главных достоинств этих устройств является отсутствие влияния измерителя на температурное поле нагретого тела, поскольку в процессе измерения они не вступают в непосредственный контакт друг с другом. Поэтому данные методы получили название бесконтактных.

На основании законов излучения разработаны пирометры следующих типов:

- пирометр суммарного излучения (ПСИ) – измеряется полная энергия излучения;

11

- пирометр частичного излучения (ПЧИ) – измеряется энергия в участке спектра, ограниченном фильтром (или приемником);

- пирометр спектрального отношения (ПСО) – измеряется отношение энергий фиксированных участков спектра.

В зависимости от типа пирометра различаются радиационная, яркостная, цветовая температура.

Радиационной температурой реального тела Тр называют температуру, при которой полная мощность излучения абсолютного тела (АЧТ) равна полной энергии излучения данного тела при действительной температуре Тд.

Яркостной температурой реального тела Тя называют температуру, при которой плотность потока спектрального излучения АЧТ равна плотности потока спектрального излучения реального тела для той же длины волны (или узкого интервала спектра) при действительной температуре Тд.

Цветовой температурой реального тела Тц называют температуру, при которой отношение плотностей потоков излучения АЧТ для двух длин волн λ1 и λ2 равно отношению плотностей потоков излучений реального тела для тех же длин волн при действительной температуре Тд.

2.2.1 Пирометры суммарного излучения (радиационные)

Пирометры суммарного излучения (ПСИ) измеряют радиационную температуру тела, поэтому их часто называют радиационными. Принцип действия данных измерителей температуры основан на использовании закона Стефана – Больцмана. Однако в случае применения оптических систем в ПСИ определение температуры ведется по плотности интегрального излучения не во всем интервале длин волн, а значительно меньшем: для стекла он составляет 0,4…2,5 мкм, а для плавленого кварца – 0,4…4 мкм. Датчик пирометра выполняется в виде телескопа, линза объектива которого фокусируется на термочувствительном приемнике излучения

12

нагретого тела. В качестве термочувствительного элемента используются термопары, термобатареи, биметаллические спирали и т.п. наиболее широко применяются термобатареи, в которых используются 6…10 миниатюрных термопар (например, хромель – копелевых), соединенных последовательно. Поток излучения попадает на расклепанные в виде тонких зачерненных лепестков рабочие концы термопар. Свободные концы термопар привариваются к тонким пластинам, закрепленным на слюдяном кольце. Металлические выводы служат для присоединения к измерительному прибору, в качестве которого обычно используются потенциометры или вольтметры.

Рабочие концы термопар поглощают падающую энергию и нагреваются. Свободные концы находятся вне зоны потока излучения и имеют температуру корпуса телескопа. В результате возникновения перепада температур термобатарея развивает термоЭДС, пропорциональную температуре рабочих спаев, а следовательно, и температуре объекта измерения. Градуировка пирометров производится при температуре корпуса 20±2оС, поэтому повышение данной температуры приводит к уменьшению перепада температур в термопарах приемника излучения и к появлению значительных дополнительных погрешностей. Так, при температуре корпуса 40оС дополнительная погрешность (при прочих равных условиях) составит ±4оС. Для снижения этой погрешности пирометры снабжаются компенсирующими устройствами: электрическим шунтом или биметаллической пружиной.

ПСИ имеют меньшую точность по сравнению с другими пирометрами. Методические погрешности измерения температуры при использовании ПСИ возникают вследствие значительной ошибки определения интегральной степени черноты εΣ, из-за неправильной наводки телескопа на излучатель, из-за влияния излучения кладки (при измерении температуры металла в печах), а также из-за поглощения энергии водяным паром и углекислым газом, содержащимися

13

в слое воздуха, находящегося между излучателем и пирометром (поэтому оптимальным считается расстояние 0,8…1,3 м).

Вид материала линзы определяет интервал измеряемых температур и градуировочную характеристику. Стекло из флюорита обеспечивает возможность измерения низких температур начиная со 100оС, кварцевое стекло используется для температуры 400…1500оС, а оптическое стекло – для температур 950оС и выше.

ПСИ измеряют температуру от 100 до 3500оС. основная допустимая погрешность технических промышленных пирометров возрастает с увеличением верхнего предела измерения и для температур 1000, 2000 и 3000оС составляет соответственно ±12, ±20 и ±35оС.

2.2.2 Пирометры частичного излучения (яркостные)К данному типу пирометров, измеряющих яркостную

температуру объекта, относятся монохроматические пирометры и фотоэлектрические пирометры, измеряющие энергию потока в узком диапазоне длин волн.

2.2.2.1 Оптические пирометрыОптические пирометры, или так называемые пирометры

визуальные с «исчезающей» нитью переменного накала, широко применяются для измерения яркостной температуры в видимой части спектра. Интервал измеряемых температур для общепромышленных пирометров с «исчезающей» нитью установлен от 700 до 8000оС в видимой области спектра. Для оптических пирометров в интервале температур 1200…2000оС основная допустимая погрешность измерения составляет ±20оС.

Измерение яркостных температур пирометрами с «исчезающей» нитью основано на визуальном сравнении эффективной длины волны в видимой области спектра яркости исследуемого тела с яркостью нити пирометрической лампы. При этом в качестве чувствительного элемента (лучеприемника) для фиксирования наличия или отсутствия

14

равновесия яркостей двух одновременно рассматриваемых изображений тел служит человеческий глаз. Вследствие этого измерения температуры пирометрами такого типа отличаются известной субъективностью, что следует иметь в виду при их применении.

2.2.2.2 Фотоэлектрические пирометрыФотоэлектрические пирометры частичного излучения

обеспечивают непрерывное автоматическое измерение и регистрацию температуры. Их принцип действия основан на использовании зависимости интенсивности излучения от температуры в узком интервале длин волн спектра. В качестве приемников в данных устройствах используются фотодиоды, фотосопротивления, фотоэлементы и фотоумножители.

Фотоэлектрические пирометры частичного излучения делятся на две группы:

- пирометры, в которых мерой температуры объекта является непосредственно величина фототока приемника излучения;

- пирометры, которые содержат стабильный источник излучения, причем фотоприемник служит лишь индикатором равенства яркостей данного источника и объекта.

В фотоэлектрических пирометрах с пределами измерения от 500 до 1100оС применяют кислородно – цезиевый фотоэлемент, а в приборах со шкалой 800…4000оС – вакуумный сурьмяно – цезиевый. Сочетание последнего с красным светофильтром обеспечивает получение эффективной длины волны пирометра 0,65±0,01 мкм, что приводит к совпадению показаний фотоэлектрического пирометра с показаниями визуального оптического пирометра.

2.2.3 Пирометры спектрального отношения (цветовые)

Пирометры данного типа измеряют цветовую температуру объекта по отношению интенсивностей излучения в двух определенных участках спектра, каждая из которых характеризуется эффективной длиной волны λ1, λ2.

15

Пирометры спектрального отношения (ПСО) используются для измерения температур твердого и расплавленного металла в широком интервале температур от 300…2200оС и имеют класс точности 1 и 1,5 (в зависимости от предела измерения). Данные пирометры имеют в 3…5 раз меньшую методическую погрешность, связанную с изменением степени черноты излучателя. На их показания значительно меньше влияют поглощения промежуточной среды. Однако в тех случаях, когда объект характеризуется селективным излучением (степень черноты при одной и той же температуре резко изменяется с длиной волны), погрешность ПСО может быть выше погрешности пирометров излучения других типов. ПСО более сложны и менее дешевы, чем другие приборы.

3 ОСНОВНЫЕ ПРОМЫШЛЕННЫЕ СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

Если отображение значения температуры на самом первичном приборе не производится, но он позволяет получать и дистанционно передавать соответствующий измеряемому параметру сигнал, то такой прибор называют измерительным преобразователем температуры (ИПТ), или датчиком температуры. Классификация ИПТ показана на рисунке 2.

По способу обработки и отображения измеряемой температуры ИПТ подразделяют на:

- первичные (формируют для дистанционной передачи выходной сигнал, соответствующий измеряемой температуре);

- вторичные (получают сигнал от первичных преобразователей, обрабатывают его, накапливают, отображают и передают на более высокий уровень системы).

Современные тенденции развития ИПТ заключаются в их «интеллектуализации» на базе микроэлектронной технологии и микропроцессорной техники, предполагающей передачу

16

части функций системы управления вторичным преобразователям, а некоторых традиционных функций вторичных приборов – первичным.

По принципу действия, или способу преобразования температуры в выходной сигнал, первичные ИПТ подразделяют прежде всего на:

- механические;- электрические.По выходному сигналу ИПТ подразделяются на:- аналоговые;- цифровые.Основной парк существующих ИПТ относится к

аналоговым с унифицированным токовым сигналом 0…5, 0…20 или 4…20 мА. В последнее десятилетие наметился переход к ИПТ с цифровым выходом. Широкое распространение получил цифровой протокол HART. Этот открытый стандартный гибридный протокол двунаправленной связи предусматривает передачу цифровой информации поверх стандартного аналогового сигнала 4…20 мА.

ИПТ различаются, кроме того, по ряду основных технических параметров:

- диапазону измеряемой температуры (выбирается для каждой модели из стандартного ряда температур);

- пределу основной допускаемой погрешности (определяется при нормальной температуре +25оС от верхнего предела измерения и включает в себя, как правило, погрешности от гистерезиса ЧЭ, его линейности и воспроизводимости результатов измерения);

- пределу дополнительной температурной погрешности (этот предел задается от изменения температуры относительно нормальной на каждые 10 или 28оС или на весь диапазон работы);

- допустимому рабочему диапазону температур окружающей среды (иногда дополнительно

17

указывают допустимый диапазон температур технологического процесса или измеряемой среды и корпуса прибора);

- динамическому диапазону измерения температур (отношению максимального значения измеряемой температуры к минимальному);

- стабильности метрологических характеристик во времени (как процент от верхнего предела диапазона измерения в течение 6 или 12 месяцев);

- устойчивости к вибрации;- защите от высокочастотных помех;- климатическому исполнению;- взрывозащищенному исполнению;- требованиям к источнику питания.Кроме указанных выше параметров производитель

может оговаривать и другие, характеризующие условия эксплуатации ИПТ.

В связи с развитием измерительной техники наиболее удобными техническими видами термометров стали те, в которых термометрическим признаком является электрический сигнал. Это термометры сопротивления (металлические и полупроводниковые) и термопары. К числу их достоинств следует отнести достаточно высокую степень точности, возможность централизации контроля температуры путем присоединения нескольких преобразователей через переключатель к одному измерительному прибору, возможность автоматической записи измеряемой температуры с помощью самопишущего прибора или контроллера, возможность раздельной градуировки измерительного прибора и преобразователя.

Далее будем рассматривать более подробно термопары и металлические термометры сопротивления как основные датчики температуры для разработок ФГУП «Турбонасос».

В приложении В приведены основные производители средств измерений температуры в России.

18

На практике применяются и некоторые другие датчики температуры, кроме термопар и термометров сопротивления. В приложении Г приведены сведения о дилатометрических и биметаллических термометрах, в приложении Д - о манометрических термометрах. В приложении Е приведены сведения о сравнительно новых и перспективных датчиках температуры – кварцевывых.

3.1 Термопары, их основные типы и области применения

Согласно [1], в России стандартизованы типы термопар, наиболее распространенные из которых:

- медь – константановая (МКн);- хромель – копелевая (ХК);- хромель – константановая (ХКн);- хромель – алюмелевая (ХА);- железо – константановая (ЖК);- нихросил – нисиловая (НН);- платинородий – платиновые (ПП10, ПП13);- платинородий – платинородиевая (ПР);- вольфрамрений – вольфрамрениевые (А-1, А-2, А-

3).Химический состав электродов и пределы измеряемых

температур указанных выше термопар представлены в приложении Ж.

Верхний предел рабочего диапазона температур считается максимальной температурой длительного применения (≥ 1000 ч) термопары. За этот срок изменение статической характеристики термопары по отношению к номинальной не должно превышать 1%. Кратковременным применением считается работа термопары длительностью до 100 ч. за это время статическая характеристика термопары также не должна изменяться больше, чем на 1%.

В приложении З приведены рекомендуемые рабочие атмосферы для применения типов термопар, а также их

19

дифференциальная чувствительность в указанных диапазонах температур. Из приложения В видно, что универсальными термопарами являются две: медь – константановая и железо – константановая. Первая не нашла широкого применения в промышленности из-за узкого диапазона температур в области выше 0оС. Она используется, в основном, для измерения низких температур. Термопара типа J (железо – константановая) широко используется на Западе, но в России также не нашла широкого применения, по-видимому, из-за отсутствия производства высокочистого термоэлектродного железа. Кроме того, к недостаткам термопары можно отнести плохую коррозионную стойкость железного электрода и высокую чувствительность к деформации.

3.1.2 Термопары платинородий – платина3.1.2.1 Основными термопарами

металлургического производства в диапазоне температур 1100…1600оС являются платинородий – платиновые термопары ТПП10 и ТПР, модификация ТПП13 широко применяется на Западе термопары ТПП10 используются также и в качестве эталонных средств измерения температуры. По совокупности свойств платина и платинородиевые сплавы являются уникальными материалами для термопар. Их основное свойство – хорошее сопротивление газовой коррозии, особенно на воздухе при высоких температурах. Указанное свойство в сочетании с высокой температурой плавления и достаточно большой термоЭДС, хорошей совместимостью со многими изолирующими и защитными материалами, технологичностью, а также с хорошей воспроизводимостью метрологических свойств делает их незаменимыми для изготовления электродов термопар, измеряющих высокие температуры в окислительных средах.

3.1.2.2 Эти сплавы устойчивы в аргоне и гелии, не растворяют азот и водород и не образуют нитриды и гидриды, не взаимодействуют с СО и СО2. тем не менее применять платинородий – платиновые термопары в восстановительных

20

атмосферах не рекомендуется, т.к. в этом случае происходит загрязнение платины и платинородия элементами, восстановленными из защитной или изолирующей керамики (обычно оксидной). До 1200оС платина и ее сплавы с родием практически не взаимодействуют с огнеупорными материалами. При более высоких температурах контакт с SiO2 ведет к изменению термоЭДС, т.к. в восстановительной атмосфере такой контакт уже при температуре выше 1100оС ведет к разрушению платины из-за образования силицидов Pt5Si2 и легкоплавкой (830оC) эвтектики Pt-Pt5Si2, отлагающейся по границам зерен. Эта реакция возможна только в присутствии углерода и серы и осуществляется путем восстановления SiO2 до Si, который в присутствии СО соединяется с серой, образуя газообразный SiS2, последний реагирует с платиной.

3.1.2.3 Таким образом, реакция протекает через газовую фазу и не требует обязательного контакта термоэлектродов с кварцем. SiO2 может быть также восстановлен водородом до SiO2 (газ), который также реагирует с платиной. Вообще, кремний – основная причина охрупчивания и разрушения термопар. Он, как и некоторые другие элементы – Zn, Sn, Sb, Pb, As, Bi, P, B, S, - относится к платиновым ядам. Сера и углерод обычно присутствует в остатках смазочных масел и охлаждающих эмульсий (использованных при изготовлении металлической защитной арматуры чехла). Пары железа, хрома и марганца также представляют опасность для платиновых термоэлектродов, особенно в вакууме. Взаимодействие с парами металлов приводит к сильному дрейфу термоЭДС и преждевременному разрушению термопары. По этой причине платиновые термопары никогда не устанавливают непосредственно в металлические чехлы.

3.1.2.4 Верхний температурный предел длительного применения термопары ТПП10, равный 1300оС, лимитируется катастрофическим ростом зерна платинового

21

электрода при температурах выше 1400оС. в этом диапазоне используется термопара ТПР, с меньшей дифференциальной чувствительностью, но с верхним пределом рабочих температур до 1600оС. Эта термопара механически более прочна, менее склонна к росту зерна и охрупчиванию, менее чувствительна к загрязнениям. Кроме того, малая чувствительность термопары в диапазоне 0…100оС делает возможным применение термопары с медными удлинительными проводами.

3.1.2.5 Для устойчивой работы термопар из платины и ее сплавов необходима надежная изоляция термоэлектродов высокочистой оксидной керамикой, а также защита корундовыми (Al2O3) чехлами хорошего качества. Однако газоплотный корундовый чехол с минимальным содержанием примесей имеет сравнительно невысокую термостойкость. Хорошую стойкость к термоударам (скачок температуры не менее 250оС) показывает керамика с невысоким содержанием Al2O3 Al2O3 (70…80%) и пористостью 5…10%. Поэтому западные и некоторые российские производители выпускают платиновые термопреобразователи в двух защитных чехлах: наружный – термостойкий из пористой керамики с содержанием Al2O3 на уровне 80% и внутренний – газоплотный из высокочистой керамики (99,5% Al2O3). При наличии в рабочей среде абразивных частиц наружный чехол может быть выполнен из самосвязанного карбида кремния, также обладающего высокой термостойкостью.

3.1.2.6 К недостаткам термопар из драгоценных металлов можно отнести уже упоминавшуюся высокую чувствительность термоэлектродов к любым загрязнениям, появляющимся при изготовлении, монтаже или эксплуатации термопар, а также их высокую стоимость.

3.1.3 Термопары вольфрам – ренийВольфрам – рениевые термопары ТВР имеют самый

высокий предел длительного применения – 2200оС, но только в 22

неокислительных средах, т.к. катастрофическое окисление и разрушение термоэлектродов на воздухе происходит уже при температуре 600оС. термопара устойчива в аргоне, гелии, сухом водороде и азоте, а также в вакууме. Основной недостаток – плохая воспроизводимость термоЭДС, вынуждающая группировать термоэлектродные пары по группам с номинальными статическими характеристиками А-1, А-2, А-3.

3.1.4 Термопары хромель – копель и хромель – алюмель

3.1.4.1 Наиболее массовыми типами термопар в промышленности России являются термопара хромель – копель (на Западе применяется похожая термопара хромель – константан, тип Е) с температурой длительного применения до 600оС и термопара хромель – алюмель (тип К) с температурой длительного применения до 1200оС.

3.1.4.2 Термопара хромель – копель обладает наибольшей дифференциальной чувствительностью из всех промышленных термопар, применяется для проведения точных измерений температуры, а также для измерения малых разностей температур. Этой термопаре свойственна исключительно высокая термоэлектрическая стабильность при температурах до 600оС, обусловленная тем, что изменения термоЭДС хромелевого и копелевого термоэлектродов направлены в одну и ту же сторону. Технический ресурс термопары составляет несколько десятков тысяч часов. Недостаток – высокая чувствительность к деформации.

3.1.4.3 Термопара хромель – алюмель – самая распространенная в промышленности и научных исследованиях термопара с температурой длительного применения 1200оС. В [2] и более ранних стандартах указана температура длительной эксплуатации 1000оС. С учетом многочисленных экспериментальных данных величина 1200оС представляется несколько завышенной.

23

3.1.4.4 Термопары хромель – алюмель и хромель – копель предназначены для измерения температуры в окислительных и инертных средах. Содержание кислорода в окислительной атмосфере должно быть не менее нескольких процентов или его присутствие должно быть практически исключено. В атмосфере, содержащей менее 2…3% (объемных) кислорода, в хромеле резко усиливается селективное окисление хрома, что ведет к существенному уменьшению термоЭДС хромеля, а интеркристаллитный характер коррозии приводит к охрупчиванию («зеленая гниль»). Длительное пребывание в вакууме при высоких температурах сильно уменьшает термоЭДС хромеля вследствие испарения хрома. Кроме того, SO2 сильно окисляет хромель и является поэтому причиной большого отрицательного дрейфа термоЭДС. Рабочий ресурс термопар ТХА при температуре менее 850оС лимитируется только величиной дрейфа термоЭДС, а при 1000…1200оС – жаропрочностью термоэлектродов.

3.1.4.5 Термопара ТХА имеет широкий диапазон измеряемых температур, но применять ее во всем диапазоне нецелесообразно, т.к. это ухудшает точность измерений. Термопарой, которой пользуются для точного измерения температур до 500оС, не следует измерять более высокие температуры и , наоборот, термопарой, использовавшейся при температурах выше 900оС, нельзя измерять температуры 300…600оС. при высоких температурах в термоэлектродах образуются локальные неоднородности, происходит дрейф термоЭДС. Поэтому нельзя уменьшать глубину погружения термопары в рабочую среду, т.к. возникшие локальные неоднородности могут попасть в зону градиента температур и приведут к дополнительной ошибке измерений. Увеличение глубины погружения не вызывает дополнительной погрешности.

3.1.4.6 В термопарах ТХА наблюдаются два вида нестабильности термоЭДС:

24

- необратимая нестабильность, постепенно накапливающаяся со временем;

- обратимая циклическая нестабильность.Первый вид нестабильности обусловлен

взаимодействием термоэлектродов с окружающей средой. Дрейф термоЭДС в градусах составляет не более 1% от измеряемой температуры на уровне 1000оС за 1000…4000

часов при диаметре термоэлектродов более 1мм.Второй вид нестабильности обусловлен протеканием в

хромеле превращений по типу ближнего упорядочивания магнитных ячеек структуры сплава в интервале 250…550оС. В результате этих превращений термопары ТХА в состоянии поставки после нагрева при 250…550оС увеличивают термоЭДС относительно номинальных значений. Этот рост исчезает (магнитная структура разупорядочивается) после нагрева при более высоких температурах. Величина обратимого дрейфа термоЭДС зависит от предыдущей истории термоэлектродов, температур градуировки, скорости охлаждения, а также от градиента температурного поля, в котором находилась термопара. Дрейф может достигать 3…4оС. Для уменьшения обратимого дрейфа полезно использовать хромель, подвергнутый предварительной термообработке «на упорядочивание» при 425…475оС в течение 6 ч, однако исключить его полностью не представляется возможным, если термопарой измеряют температуру в широком диапазоне. Вот почему фирма ABB Automation Products (ФРГ) поставляет свои термоэлектродные материалы для термопар типа К только после дополнительного «отжига на упорядочивание». Магнитная структура хромелевого электрода в этом случае уже упорядочена, и после установки термопары на объект на участке термоэлектродов с градиентом температуры 250…550оС этот процесс уже не проявляется.

25

3.1.4 Термопары нихросил – нисилВсе вышеперечисленные проблемы с термопарой ТХА

инициировали разработку и стандартизацию ведущими промышленными странами термопары нихросил – нисил, созданной лабораторией материаловедения министерства обороны Австралии в 60-х годах двадцатого века [ ]. Материалы термоэлектродов нихросил и нисил показывают существенно лучшую стабильность термоЭДС по сравнению с термопарой ТХА. Это достигнуто увеличением концентрации хрома и кремния в никеле, а также введением в нисил магния, которые перевели процесс окисления материала термоэлектродов из внутреннего межкристаллического в поверхностный. При этом на термоэлектродах образуется защитная пленка окислов, подавляющих дальнейшее окисление. Увеличение содержания хрома в нихросиле до 14,2% фактически устранило обратимую нестабильность, характерную для хромеля. Новые сплавы показали также высокую радиационную стойкость, т.к. в них отсутствуют активирующиеся примеси Mn, Co, Fe. По данным австралийских исследователей дрейф термопары ТНН с термоэлектродами диаметром 3,2 мм за 1100 часов на воздухе при температуре 1200оС не превышает 100 мкВ, тогда как дрейф такой же термопары ТХА за 300 часов достиг 300 мкВ. Эти данные также свидетельствуют о завышенности значения температуры длительного применения 1200оС для термопары ТХА. В работе делается вывод о существенной необратимой нестабильности термопары ТХА при температурах выше 1050оС. Напротив, термопара ТНН при диаметре термоэлектродов не менее 2,5 мм и температуре до 1200оС показывает дрейф термоЭДС, не превышающий дрейф термопар из драгоценных металлов (ТПП, ТПР). Показана перспективность применения термопары ТНН в качестве универсального средства измерения температур в диапазоне температур 0…1230оС, это повысит точность промышленных

26

измерений, качество конечного продукта и, в конечном счете, эффективность всего производства.

Термопара ТНН стандартизирована в России.3.1.5 Кабельные термоэлектрические

преобразователи3.1.5.1 В настоящее время широкое

распространение в мире, в т.ч. в России, получили термопарные кабели, представляющие собой пару термоэлектродов, помещенную внутрь металлической трубки и изолированную от нее уплотненным плавленым порошком MgO – периклазом [3].

Рисунок 1. Общий вид кабельной термопары

3.1.5.2 В России выпускают термопарный кабель двух типов – КТМС-ХА и КТМС-ХК диаметром от 1 до 7,2 мм. Оболочка кабеля изготовлена из нержавеющей стали или жаростойкой стали или сплава. Общий вид кабельной термопары представлен на рисунке 1. Термоэлектроды термопары со стороны рабочего торца сварены между собой лазерной сваркой и образуют рабочий спай внутри стальной оболочки термопарного кабеля. Рабочий торец заглушен приваренной стальной пробкой. Свободные концы термоэлектродов подключаются к клеммам головки термопреобразователя или компенсационным проводам.

3.1.5.3 Применение кабельных термопреобразователей позволяет достичь существенных

27

преимуществ по сравнению с термопарами традиционного исполнения:

- повышенные в 2…3 раза термоэлектрическая стабильность и рабочий ресурс при сравнимых рабочих условиях;

- возможность изгибать, укладывать в труднодоступные места, в кабельные каналы, приваривать, припаивать или просто прижимать к поверхности для измерения ее температуры, при этом монтажная длина может достигать 60…100 метров;

- малый показатель тепловой инерции кабельных термопреобразователей позволяет применять их при регистрации быстропротекающих процессов;

- блочно – модульное исполнение термопреобразователей в защитных чехлах обеспечивает дополнительную защиту термоэлектродов от воздействия рабочей среды и возможность оперативной замены чувствительного элемента;

- универсальность применения в различных условиях эксплуатации, хорошая технологичность, малая материалоемкость.

3.1.5.4 Сравнительные испытания термопар [3] показали, что дрейф термоЭДС кабельной термопары КТХА наружным диаметром 3 мм (диаметр термоэлектродов 0,65 мм) при температуре 800оС за 10000 часов составляет примерно 100 мкВ, тогда как у обычной термопары ТХА с термоэлектродами диаметром 3,2 мм дрейф достигает 120 мкВ, а при диаметре электродов 0,7 мм он превышает 200…250 мкВ при тех же условиях. Дрейф термоЭДС кабельных термопар в оболочке из высоконикелевых сплавов при 980оС также вдвое меньше, чем дрейф показаний обычной термопары при той же температуре за 5000 часов. Как уже отмечалось, дрейф проволочной термопары ТХА с электродами диаметром 3,2 мм при температуре 1077оС достигает 300 мкВ за 800 часов, а при температуре 1200оС – за 300 часов. Повышенная стабильность

28

кабельных термопар объясняется затруднением окисления термоэлектродов из-за ограниченного количества кислорода внутри кабеля, а также дополнительной защитой термоэлектродов от воздействия рабочей среды с помощью металлической оболочки и оксида магния.

3.1.5.5 При работе в потоках жидкости или газа, двигающихся с большой скоростью, а также при высоких давлениях и температурах, в агрессивных средах, кабельные термопреобразователи помещаются в защитные чехлы (гильзы), предохраняющие их от изгибов и разрушений, и служат в качестве сменных чувствительных элементов. Защитные чехлы имеют типовые габаритные размеры.

При этом термопреобразователи блочно – модульного исполнения, сохраняя все преимущества кабельных, приобретают следующие достоинства:

- возможность оперативной замены чувствительного элемента без демонтажа защитного чехла;

- возможность одновременной поверки большого числа преобразователей вследствие малогабаритности демонтируемых кабельных чувствительных элементов;

- удешевление последующих поставок, так как при необходимости, заменять можно только наружный чехол или только чувствительный элемент.

3.1.5.6 Чехлы для термопреобразователей высокотемпературного исполнения, работающих при температурах до 1100оС, изготавливаются из жаростойких сталей и сплавов. Рабочий ресурс высокотемпературных кабельных преобразователей блочно – модульного исполнения также превосходит ресурс термопреобразователей с проволочным чувствительным элементом, хотя диаметр термоэлектродов в кабеле не превышает 1 мм, тогда как проволочные термоэлектроды высокотемпературного исполнения обычно имеют диаметр 3,2 мм.

29

3.1.5.7 Определяющим фактором для обеспечения рабочего ресурса кабельного термопреобразователя блочно – модульного исполнения является полная герметичность и высокая жаростойкость защитного чехла. В этом случае имеющейся внутри чехла кислород «выгорает» в течение первых часов эксплуатации, далее кабельный чувствительный элемент работает в газовой среде, близкой к инертной, что резко тормозит процесс диффузии кислорода через оболочку кабеля к термоэлектродам. Термоэлектроды в этом случае защищены от воздействия рабочей среды двойной оболочкой – кабеля и защитного чехла.

По этому пути производства термопреобразователей пошли ведущие мировые производители: ABB Automation Products (Германия), JUMO (Германия), Auxitroll (Франция), OMEGA Engineering (США), Ari Industries (США),OKAZAKI Manufacturing (Япония) и другие.

3.1.6 Защитная арматура термопреобразователей3.1.6.1 Защитные газонепроникаемые чехлы

термопреобразователей существенно расширяют диапазон применения термопар в агрессивных средах и увеличивают их ресурс. На рисунке 2 показаны защитные чехлы и гильзы, применяемые для расширения диапазона применения термопар. Для температур до 800оС применяются чехлы из нержавеющей стали типа Х18Н10Т или 10Х17Н13М2Т (повышенная стойкость к межкристаллической коррозии), при более высоких температурах использовалась, в основном, ферритная сталь 15Х25Т с температурой интенсивного окалинообразования 1050оС, которая имеет ограниченную свариваемость и склонна к охрупчиванию в диапазоне 450…850оС.

30

Рисунок 2. Защитные чехлы (гильзы) для термопар

3.1.6.2 В настоящее время производятся также термопары ТХА в защитных чехлах из жаропрочной аустетичной стали типа Х23Н18 с такой же жаростойкостью в сочетании с хорошей свариваемостью. Для работы при температурах выше 1000оС потребителю предлагаются термопары ТХА в чехлах из сплавов ХН78Т и ХН45Ю на никелевой и железо – никелевой основах соответственно. По ГОСТ 5632-72 температура интенсивного окалинообразования сплава ХН78Т составляет 1150оС, рекомендуемая максимальная температура длительного применения сплава ХН45Ю на воздухе – 1250…1300оС, т.е. она перекрывает весь диапазон измеряемых температур термопары ТХА. Необходимо учитывать, что сплав ХН78Т особенно чувствителен к содержанию серы в рабочей среде из-за высокого содержания никеля в сплаве. Образование легкоплавких соединений сернистого никеля приводит к

31

разрушению чехла. Сплав ХН45Ю обладает отличной жаростойкостью, сохраняя хорошую коррозионную стойкость благодаря включению в сплав 3,4% Al, который образует на поверхности сплава тугоплавкую окисную пленку и препятствует развитию коррозионного процесса.

3.1.6.3 Необходимо отметить, что в России недостаточно производится термопар в защитных чехлах, предназначенных для специальных областей применения. Универсальные чехлы не могут решить проблему защиты термопар во многих агрессивных средах.

3.2 Термометры сопротивления, их типы и области применения

3.2.1 Действие термопреобразователей сопротивления (ТС) основано на температурной зависимости сопротивлений. Указанным свойством обладает множество металлов, но лишь немногие из них удовлетворяют вторичным эксплуатационным требованиям, связанным со стабильностью свойств и нечувствительностью к внешним воздействиям по другим физическим параметрам (давление, плотность магнитного потока, потока нейтронов и т.п.

3.2.2 ТС состоит из ЧЭ соответствующей конструкции, защитной арматуры и соединительных проводов (рисунок 3.).

Основные требования, которым должен удовлетворять материал чувствительного элемента ТС, следующие:

- нечувствительность к малым примесям, которые могут появиться в процессе изготовления или эксплуатации;

- простота технологии получения и изготовления.

Изменение сопротивления чувствительного элемента в виде падения напряжения или тока, передаваемых электрической линией связи непосредственно или при помощи

32

измерительного преобразователя температуры (ИПТ), фиксируется показывающим прибором или регулятором (контроллером).

Способ включения ТС определяется схемой вторичного прибора и диапазоном измеряемой температуры. Номинальные функции преобразования (статические характеристики) ТС и их погрешность определяются [4].

Согласно [4], в России стандартизованы следующие типы термопреобразователей сопротивления (ТС):

- платиновые (ТСП) – с чувствительным элементом (ЧЭ) из платины;

- медные (ТСМ) – с ЧЭ из меди;- никелевые (ТСН) – с ЧЭ из никеля.Характеристики указанных выше ТС представлены в

приложении И.Следует отметить, что никелевые ТС не получили

широкого распространения в России.

1 - головка2 - штуцерная гайка3 - арматура4 - чувствительный элемент

33

Рисунок 3. ТС (а) и схема его включения (б)

Функция преобразования платинового ТС нелинейна и обычно аппроксимируется квадратичным трехчленом. Температурный коэффициент платины примерно равен = 3,91•10-3 K-1

3.2.3 Медные ТСФункция преобразования медного ТС линейна:

Rt = R0 (1 + t),где R0 — сопротивление при 0°С; = 4,28•10-3 K-1 -

температурный коэффициент.

Чувствительный элемент медного ТС (рисунок 4,а) представляет собой пластмассовый цилиндр 1, на который бифилярно в несколько слоев намотана медная проволока 2 диаметром 0,1 мм. Сверху катушка покрыта глифталевым лаком. К концам обмотки припаиваются медные выводные провода 3 диаметром 1,0-1,5 мм. Провода изолированы между собой асбестовый шнуром или фарфоровыми

трубочками. Чувствительный элемент вставляется в тонкостенную металлическую гильзу 4. Гильза с выводными проводами помещается в защитный чехол (рис.4 ,б), который представляет собой закрытую с одного конца трубку 1. На открытом ее конце помещается клеммная головка 2. Для удобства монтажа защитный чехол может иметь фланец 3.

3.2.4 Обычная медь не дефицитна, дешева, чиста и гомогенна — вполне удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к материалу чувствительных элементов ТС для измерения умеренных температур. Существенный практический недостаток меди — при температуре выше 300°С она начинает активно окисляться. Поэтому медь

34

применяется в чувствительных элементах ТС для измерения температур не выше 200°С. Изоляционные покрытия медных проводов — лак или шелк — также не выдерживают влияния высоких температур. К числу недостатков меди следует отнести и ее малое удельное сопротивление ( = 1,7*10-8 Ом•м).

Рисунок 4. ЧЭ (а) и конструкция (б) медного ТС

35

ТКС определяется по сопротивлениям R0 и Rt чувствительного элемента медного ТС, измеренных соответственно при точке таяния льда и кипения воды. В диапазоне температур от —50 до 200°С зависимость сопротивления меди от температуры носит линейный характер: Rt = R0  (1 + α t). Согласно ГОСТ 6651-94, медные ТС применяются для длительного измерения температуры в диапазоне от —200 до 200°С.

Медь применяется для измерения температур до 200оС, в применениях, не требующих особой точности.

К достоинствам медных ТС можно отнести:

- дешевый материал;

- простота получения тонкой проволоки;

- линейный характер зависимости сопротивления от температуры.

Недостатки медных ТС:

- окисляется при невысоких температурах;

- малое удельное сопротивление (ρ = 1,7*10 -8

Ом*м).

3.2.4 Платиновые ТСДля измерения температур до 630,74°С применяются

платиновые ТС, ЧЭ которых изготовляются из платиновой проволоки диаметром от 0,05 до 0,2 мм, свободной от натяжений, бифилярно намотанной на каркас для устранения влияния магнитных помех.

36

В качестве изоляционного каркаса применяются слюдяные пластины, керамические стержни крестообразной формы сечения из кварца или окиси алюминия с канавками, в которых размещаются спирали. Слюда в естественном состоянии содержит связанную воду и адсорбированные газы. В процессе измерения выделяющиеся газы и водяные пары могут захватываться проволокой чувствительного элемента с одновременным изменением сопротивления. Во избежание этого слюдяные каркасы следует перед навивкой прокалить в вакууме. В общем, слюду не рекомендуется применять при температурах выше 450°С. Кварц, алунд и фарфор лучше сохраняют изоляционные показатели. При 630°С ток, протекающий по изолятору каркаса, обусловливает погрешность порядка 10-3 К. При дальнейшем повышении температуры погрешность, вызванная потерями изоляционных характеристик каркаса, быстро растет и в значительной мере зависит от технологии изготовления каркаса.

3.2.5 Для измерения низких и средних температур каркасы чувствительных элементов изготовляются из стекла с близким к платине коэффициентом расширения. Для измерения температур в диапазоне от 630 до 1100°С применяется платиновая проволока диаметром от 0,3 до 0,6 мм, так как проволока меньших диаметров подвергается большому влиянию посторонних газов и паров. При этом для каркаса используется керамика из синтетического сапфира. Для измерений умеренных температур применяются различные конструкции чувствительных элементов из платиновой проволоки, покрытой изоляционным лаком.

Для защиты платиновой спирали от взаимодействия с выделениями каркаса и других конструктивных элементов применяются ингибиторные засыпки из боратов и галогенидов щелочноземельных металлов.

3.2.6 Концы измерительной спирали в образцовых ТС соединяются сваркой с U-образными короткими проводами из платины большего диаметра, к которым привариваются

37

соединительные провода, идущие к головке. Материал соединительных проводов выбирается в зависимости от уровня измеряемой температуры и других условий эксплуатации, для которых приборы предназначены. При низких температурах до 300°С и умеренной вибрации используются медные проводники, при умеренных температурах до 5000 оС — серебряные, при температурах, превышающих 5000 оС, по мере ее роста,— золотые, палладиевые и платиновые проводники. В случае повышенной вибрации рекомендуются более жесткие сплавные провода, например платино-родиевые.

3.2.7 Сопротивление двух соединительных проводов чувствительного элемента при 0°С не должно превышать 0,1 % его номинального сопротивления. Для изоляции соединительных проводов применяются слюдяные или керамические шайбы с отверстиями, а также трубочки из фарфора, кварца или стекла. Для высокотемпературных ТС используется изоляционный материал из сапфира в виде шайб и бус или другой керамики.

Платина, как правило, применяется для эталонных, образцовых, и повышенной точности ТС.

Достоинства платиновых ТС:- высокий температурный диапазон;- точность измерения (до 0,001oC).

Недостатки:- отклонение от линейного закона

зависимости Rt;- особый подход к изготовлению материала

каркаса(слюда, кварц, керамика);- высокая стоимость.

38

Рисунок 5. Зависимость ТКС платины, олова, индия от температуры.

3.2.8 ТС из других металловКроме платины и меди в качестве материала для

чувствительного элемента ТС применяют никель, железо, вольфрам, свинец, индий, олово, кадмий, ртуть, галлий.

3.2.8.1 Никелевые ТС. Преимущества никеля перед медью— высокие ТКС ( = 6,4•10-3) и удельное сопротивление ( = 12,8•108 Ом•м), недостаток — большое влияние загрязнений на ТКС. Сопротивление никелевых ТС, предназначенных для измерения температур в диапазоне от 0 до 200°С, описывается таким же уравнением, как и для платиновых ТС (α = 5.43•10-3 К-1, β == 7,85•10-6 К-2). Нелинейные члены в уравнениях сопротивления имеют разные знаки (для никеля — положительный, для платины — отрицательный). Это открывает возможность создания ТС с линейной характеристикой до 350°С путем последовательного включения платиновой и никелевой обмоток с отношением

39

сопротивлений, равным 12:1, при 0°С. Никель претерпевает структурное превращение при 350°С.

3.2.8.2 Железные ТС применяются для измерения температур в диапазоне от 0 до 100°С ( = 6,5•10 -3 К-1).

3.2.8.3 Вольфрамовые ТС обеспечивают удовлетворительную точность при измерениях температур до 1000°С. При измерении высоких температур чувствительный элемент необходимо помещать в герметичную арматуру.

3.2.8.4 Свинцовые и индиевые ТС хорошо зарекомендовали себя при измерении низких температур. При температуре ниже 50 К их ТКС (рисунок 7) заметно больше, чем у платины, и они эффективно работают вплоть до перехода в состояние сверхпроводимости (Pb — 7,2 К, In — 3,4 К).

3.2.8.5 Механические напряжения затрудняют использование при измерениях температур ТС. Поэтому неоднократно предпринимались попытки применения в ТС жидких металлов, заполняющих кварцевые капилляры. Использование для изготовления капилляров плавленого кварца, имеющего малый коэффициент термического расширения, практически решает вопрос о влиянии вариации температуры на размеры чувствительного элемента. Для жидкометаллических ТС применялись также сплавы ртути с галлием и таллием. Ртуть хорошо зарекомендовала себя и в твердом состоянии для измерений вплоть до наступления сверхпроводимости.

По ряду характеристик сплавы имеют преимущества перед чистыми металлами для применения в качестве материала чувствительных элементов ТС: они более прочны, стойки при высоких температурах и в агрессивных средах, их удельное сопротивление в несколько раз больше. Однако ТКС при средних и высоких температурах у них ниже, чем у чистых металлов,— за исключением сплава никеля с железом, для которого = 4,8•10-3 К-1.

40

По сравнению с никелем удельное сопротивление сплава никеля с железом в три раза больше, что позволяет упростить конструкцию чувствительного элемента и повысить ее надежность. Характеристики этого сплава не одинаковы от партии к партии, в связи с чем необходимо применять индивидуальную градуировку. Рабочий диапазон таких ТС — от 0 до 600°С. При наличии магнитных полей их не рекомендуется применять.

Константан и манганин широко используются как материалы, сопротивление которых в области нормальных температур пренебрежимо мало зависит от температуры. Однако при температуре ниже 80 К эта зависимость настолько возрастает, что оба сплава используются для измерения температур вплоть до температуры кипения гелия. ТКС манганина изменяется от 6•10-4 К-1 при 80 К до 8•10-4 К-1 при 10 К. В ТС с чувствительным элементом из манганина не наблюдается однозначная связь между сопротивлением при комнатной температуре и тех температурах, при которых производится измерение. Поэтому они требуют индивидуальной градуировки. Как большинство ТС из сплавов, они также чувствительны к влиянию магнитных полей.

3.2.9 Схемы включения ТС. ТС и провода, соединяющие его со вторичным

прибором, включены последовательно. Обычно используются медные провода, сопротивление которых зависит от их температуры. Температурные изменения сопротивления проводов приводят к погрешности измерения температуры.

ЧЭ с соединительными проводами называются измерительными пакетами. Соединительные провода измерительного пакета должны быть электрически изолированы друг от друга. При измерении температуры до 300°С с целью обеспечения надежной изоляции пакетов ТС применяются изоляционные лакоткани, эмали, оплетки и др.;

41

при измерении температуры выше 300°С — бусы из электроизоляционной керамики.

Для устранения влияния температуры на сопротивление соединительных проводов их собственное сопротивление выбирают малым по сравнению с сопротивлением чувствительного элемента. При 0°С не должно превышать 0,1 % для платиновых ТС и 0,2 % — для медных. С этой же целью ТС подключают по трех- и четырехпроводной схеме (рисунок 6 б, в). Для компенсации изменения сопротивления соединительных проводов промышленностью выпускаются также ТС с дополнительными соединительными проводами (рисунок 6 г). Соединительные провода измерительного пакета подключаются к клеммам контактной колодки или контактам корпуса пластмассовой головки ТС.

Рисунок 6. Схема измерительного пакета а — двухпроводного; б—трехпроводного; в — четырехпроводного; г - с компенсационными выводами.

Подключение соединительных проводов измерительных пакетов к чувствительному элементу осуществляется посредством сварки. При измерении температуры измерительные пакеты вставляются в защитный чехол ТС, предохраняющий их от повреждений и загрязнений. Внутреннее пространство чехла засыпается ингибиторным порошком.

3.2.10 Несущая и защитная арматура ТСВ зависимости от условий эксплуатации для изготовления несущей и защитной арматуры применяются стекло, кварц, огнеупорные, газоплотные, керамические материалы. Внешний кожух для образцовых ТС выполняется из платины,

42

а для технических — из нержавеющих сталей. Почти все образцовые ТС имеют газонепроницаемую защитную арматуру, внутренняя полость которой предварительно вакуумируется с нагреванием до 450 оС, затем заполняется сухим газом и герметизируется. Для заполнения арматуры применяется гелий, аргон, азот или сухой воздух. Для защиты платины от возможного загрязнения другими металлами в газовое заполнение ТС добавляется 5—10 % кислорода.Внутреннее пространство защитной арматуры из нержавеющих сталей технических платиновых ТС заполняется отожженным порошком окиси алюминия с примесью ингибиторов. В верхней части внутреннее пространство защитной арматуры отделяется от окружающей среды пробкой из огнеупорной массы. Материал защитной арматуры выбирается в зависимости от диапазона измеряемых температур и агрессивности измеряемой среды объекта.

4 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ТЕМПЕРАТУРЫ В АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМАХ

4.1 Основными условиями правильного выбора термопреобразователей в требуемых условиях и пределах являются:

- соответствие измеряемой температуры пределам измерения термопреобразователей;

- соответствие прочности материала защитной арматуры условиям эксплуатации;

- соответствие термопреобразователя условиям эксплуатации и воздействиям окружающей среды;

- правильный выбор места установки термопреобразователя;

- правильный выбор конструктивного исполнения термопреобразователя (длина, крепление с помощью штуцера, фланца и т.д.);

43

- правильный выбор выходного сигнала термопреобразователя для сопряжения с вторичным прибором или контроллером.

Рассмотрим более подробно основные из вышеперечисленных условий.

4.2 Соответствие измеряемой температуры пределам измерения термопреобразователей

При выборе диапазона измерения термопреобразователя следует иметь ввиду следующее:

- рабочий диапазон должен находиться в диапазоне измеряемых температур термопреобразователя, указанных изготовителем. Нередко изготовители указывают для отдельных моделей термопреобразователей более узкие диапазоны измеряемых температур, чем ГОСТированные для конкретных типов термопреобразователей. Например, для термопреобразователя типа ТС-1088 (НСХ 50М, 50П, 100П и т.д.) его производитель НПП «Элемер» указывает диапазон измеряемых температур от минус 50 до 120оС [5]. В то же время [4] определят диапазоны измерения для медных ТС (НСХ 50М 100М) от минус 200 до 200оС, а для платиновых ТС (НСХ 50П, 100П) – от минус 260 до 850оС. В таком случае необходимо запросить производителя о возможности работы конкретного типа термопреобразователя для измерения требуемой температуры;

- нежелательна длительная работа термопреобразователей (250 часов и более) вблизи верхней границы диапазона измерения, например, температуру порядка 170…180оС не следует измерять медным ТС, у которого верхний предел измеряемых температур составляет 200оС. Подобное использование термопреобразователя может привести к преждевременному выходу из строя или сокращению срока службы. В данном примере возможно применение, например, платинового ТС с верхним пределом измеряемых температур 300 или 500оС.

44

4.3 Соответствие прочности материала защитной арматуры условиям эксплуатации

При измерениях температур сред, находящихся под высоким давлением, или агрессивных, необходимо учитывать механическую прочность штатной арматуры термопреобразователя. Если арматура термопреобразователя не позволяет использовать его в конкретных условиях эксплуатации, следует установить термопреобразователь в защитный чехол (гильзу), а чехол (гильзу) поместить в измеряемую среду. Производители термопреобразователей изготавливают различные виды защитных чехлов (гильз), в том числе и по эскизам заказчика.

Необходимо помнить, что применение защитных чехлов (гильз) увеличивает инерционность термопреобразователей, так как инерционность прямо пропорциональна массе рабочей части термопреобразователей.

4.4 Соответствие термопреобразователей условиям эксплуатации и воздействиям окружающей среды

Условия эксплуатации преобразователей и воздействие на них окружающей среды должны соответствовать условиям, указанных в технической документации на них. В противном случае возможно ухудшение метрологических характеристик термопреобразователей или преждевременный выход термопреобразователей из строя.

Условия эксплуатации термопреобразователей приводятся по [6] или [7], а стойкость к воздействию окружающей среды – по [7].

4.5 Правильный выбор места установки термопреобразователей

Выбор места установки конкретного термопреобразователя для измерения температуры должна производиться таким образом, чтобы исключить или свести к минимуму влияние на процесс измерения таких дестабилизирующих и опасных факторов, как:

45

- высокие температуры среды энергоносителя и внешней среды;

- вибрации трубопровода;- химическая агрессивность среды

энергоносителя;- взрывоопасность среды энергоносителя и

внешней среды;- электромагнитные помехи и радиация.Выбор места установки термопреобразователя должен

обеспечивать удобство монтажа, ремонта и технического обслуживания.

4.6 Правильный выбор выходного сигнала термопреобразователя для сопряжения с вторичным прибором или контроллером.

Все термопреобразователи по выходному сигналу можно разделить на две группы:

- с неунифицированным выходным сигналом;- с унифицированным выходным сигналом.Термопреобразователи с унифицированным выходным

сигналом являются наиболее удобными для применения в автоматизированных системах управления:

- не требуются дополнительные преобразователи (нормализаторы) для подключения к вторичным приборам или контроллерам;

- высокая помехозащищенность унифицированного (токового) выходного сигнала;

- возможность работы вторичного прибора или контроллера с датчиками, находящимися на значительном расстоянии;

- некритичность к параметрам соединительных проводов.

В подавляющем большинстве случаев при автоматизации технологических процессов следует использовать термопреобразователи с унифицированным выходным сигналом.

46

Заметим, однако, что термопреобразователи с унифицированным выходным сигналом не могут применяться при измерении температуры ниже минус 50оС. Это связано с температурным диапазоном работы электроники, находящейся в головке термопреобразователя. По той же самой причине при измерении высоких температур (свыше 200оС) необходимо получить консультацию производителя, и при необходимости увеличить монтажную длину термопреобразователя.

В ряде случаев возможно применение термопреобразователей с неунифицированным выходным сигналом:

- измерение температуры ниже минус 50оС;- наличие вторичного прибора или контроллера,

способных работать с неунифицированным входным сигналом.

5 ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ В РАЗРАБОТКАХ ФГУП

«ТУРБОНАСОС»

5.1 Начиная с 1997 года в разработках предприятия применялись следующие датчики температуры:

- ТМ-1187 (концерн «Метран», Челябинск);- ТСМУ-055, ТСМУ-205 (НПП «Элемер», п.

Менделеево Московской обл.);- ТСМУ/ТСПУ-205Ех (НПП «Элемер», п.

Менделеево Московской обл).Рассмотрим достоинства и недостатки этих датчиков.5.2 Термопреобразователи сопротивления ТМ-1187

(аналог ТСМ-1187 Луцкого приборостроительного завода) были применены на многофазной насосной станции МФНУ 62. ТМ-1187 представляют собой медные ТС с НСХ 50М (рабочий диапазон измеряемых температур от минус 50 до 150оС) и неунифицированным выходным сигналом. Датчики

47

имеет взрывозащищенное исполнение вида «взрывонепроницаемая оболочка» и маркировку взрывозащиты IЕхdIIСТ6, что позволяет использовать их во взрывоопасных зонах.

5.3 Датчики ТМ-1187 имеют следующие достоинства:- достаточная точность измерения (класс допуска

В);- высокая надежность;- низкая стоимость;

Недостатки:- неунифицированный выходной сигнал

(требуется применение нормализаторов сигналов или контроллеров с возможностью ввода неунифицированных сигналов).

Применение датчиков ТМ-1187 и вообще всех датчиков температуры во взрывозащищенном исполнении вида «взрывонепроницаемая оболочка» может быть экономически оправдано при использовании контроллеров с возможностью ввода неунифицированных сигналов. Такое техническое решение позволит отказаться от использования барьеров искробезопасности (стоимость одноканального барьера искробезопасности составляет от 3000 рублей за отечественный до 250…320 долларов США за импортный).

5.4 Датчики температуры ТСМУ-055 и ТСМУ-205 были применены в системах разделения суспензии руд. Их применение было обусловлено наличием у датчиков унифицированного выходного сигнала. Вышеперечисленные датчики отличаются только схемой подключения: у ТСМУ-055 она трехпроводная, а у ТСМУ-205 – двухпроводная.

Датчики ТСМУ-055, ТСМУ-205 имеют следующие достоинства:

- высокая точность измерений (до 0,25%);- высокая помехозащищенность выходного

сигнала;- высокая надежность;

48

Недостатки:- нижний предел измерения температуры

составляет минус 50оС;- более высокая стоимость, чем у датчиков с

неунифицированным выходным сигналом ( примерно на 750…850 руб.).

Датчики серий ТСМУ/ТСПУ-055 (205) могут быть повсеместно использованы при автоматизации технологических процессов для измерения температуры в диапазоне от минус 50 до 500оС. Их относительные недостатки компенсируются точностью измерений, достаточной для подавляющего числа применений, возможностью передачи сигнала на большие расстояния вследствие большей помехозащищенности и высокой надежностью. Эти датчики зарекомендовали себя с самой лучшей стороны и находят широкое применение в промышленности.

5.5 Датчики температуры ТСМУ/ТСПУ-205Ех были использованы в многофазной насосной станции МНС60. Их применение было вызвано отсутствием у контроллера модуля ввода неунифицированных сигналов. Датчики ТСМУ-205Ех использовались для измерения температуры до 150оС, датчики ТСПУ-205Ех – для измерения более высоких температур.

Датчики ТСМУ/ТСПУ-205Ех имеют те же достоинства и недостатки что и датчики ТСМУ 205.

Датчики ТСМУ/ТСПУ-205Ех могут быть повсеместно использованы при автоматизации технологических процессов взрывоопасных производств.

49

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выбор первичных средств измерения температуры и вторичных средств САУК должен производиться систематическим образом в рамках единого и полного проекта, учитывающего как существующее, ранее смонтированное оборудование, так и установку нового.

Выбор первичных средств измерения температуры должен осуществляться в зависимости от их применения для коммерческого или технического учета энергоносителей, а также от их использования для измерения температуры в расчетных или технологических целях. В случае коммерческого учета следует выбирать приборы более высокого класса по точности, надежности и стабильности, чем в случае технического и тем более технологического контроля.

Выбор и модернизация первичных средств измерения должен обязательно выполняться с учетом их совместимости (информационной, электрической, сетевой) с устройствами верхнего уровня САУК (контроллерами, многофункциональными преобразователями).

Выбор первичных средств измерения температуры должен производиться с учетом соответствия их характеристик конкретным задачам, условиям и особенностям эксплуатации (вид среды, предполагаемый диапазон давления

50

и температуры, требуемая точность, наличие дестабилизирующих факторов, необходимый тип выходного сигнала и п.т.). следует особое внимание уделять анализу характеристик надежности.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1 ГОСТ 6616-94. Преобразователи термоэлектрические. Общие технические условия.

2 ГОСТ Р 50431-92. Термопары. Часть 1. Номинальные статические характеристики преобразования.

3 ПК «Тесей». Термопреобразователи. Каталог. 2001г.4 ГОСТ 6651-94. Термопреобразователи сопротивления.

Общие требования и методы испытаний.5 НПП «Элемер». Каталог продукции. 2001г.6 ГОСТ 15150-69. Машины, приборы и другие

технические изделия. Исполнение для разных климатических районов. Категории, условия эксплуатации, хранения и транспортирования в части воздействия климатических факторов окружающей среды.

7 ГОСТ 12997-84. Изделия ГСП. Общие технические условия.

8 ГОСТ 16920-93. Термометры и преобразователи температуры манометрические. Общие технические требования. Методы испытаний.

51

Приложение А(справочное)

Термины и определения

Время термического срабатывания – время, необходимое для реагирования ТС на ступенчатое изменение температуры с изменением сопротивления, соответствующее определенному проценту указанного ступенчатого изменения.

Диапазон измеряемых температур – интервал температур, в котором выполняется регламентируемая функция ТС по измерению.

Длина монтажной части ТС:– для ТС с неподвижным штуцером или фланцем –

расстояние от рабочего конца защитной арматуры до опорной плоскости штуцера или фланца;

- для ТС с подвижным штуцером или фланцем, а также без штуцера или фланца – расстояние от рабочего конца защитной арматуры до головки, а при отсутствии ее до мест заделки выводных проводников.

Длина наружной части ТС – расстояние от опорной плоскости неподвижного штуцера или фланца до головки.

Длина погружаемой части ТС – расстояние от рабочего конца защитной арматуры до мест возможной эксплуатации при температуре верхнего предела измерения.

52

Допуск – максимально допустимое отклонение от номинальной зависимости сопротивления от температуры, выраженное в градусах Цельсия.

Номинальное значение температуры применения – наиболее вероятная температура эксплуатации ТС, для которой нормируют показатели надежности и долговечности.

Показатель тепловой инерции – время, необходимое для того, чтобы, чтобы при внесении ТС в среду с постоянной температурой разность температур среды и любой точки внесенного в нее ТС стала равной 0,37 того значения, которое будет в момент наступления регулярного теплового режима.

Рабочий диапазон – интервал температур, измеряемых конкретным ТС и находящийся внутри диапазона измеряемых температур.

Термометрическая вставка – ЧЭ, помещенный в защитный чехол, может применяться как самостоятельно, так и в составе ТС.

Чувствительный элемент – элемент термопреобразователя, воспринимающий и преобразующий тепловую энергию в другой вид энергии для получения информации о температуре.

53

Приложение Б(справочное)

Температуры основных реперных точек МТШ-90Таблица Б.1

Тип точки Вещество Значение по МТШ-90К оС

Зависимость давления насыщенных паров от температуры, ps(T)

He-3, He-4 от 0,65 до 5от –272,5

до –268,15

Тройная точка водорода

Н2 13,8033 -259,3467

ps(T) или газовый термометр

Н2 или Не 17 -256,15

ps(T) или газовый термометр

Н2 или Не 20,3 -252,85

Тройная точка неона Ne 24,5561 -248,5939Тройная точка кислорода

О2 54,3584 -218,7916

Тройная точка аргона

Ar 83,8058 -189,3442

Тройная точка ртути Hg 234,3156 -38,8344

54

Тройная точка воды H2O 273,16 0,01Точка плавления галлия

Ga 302,9146 29,7646

Точка затвердевания индия

In 429,7485 156,5985

Точка затвердевания олова

Sn 505,078 231,928

Точка затвердевания цинка

Zn 692,677 419,527

Точка затвердевания алюминия

Al 933,473 660,323

Точка затвердевания серебра

Ag 1234,93 961/78

Точка затвердевания золота

Au 1337,33 1064,18

Точка затвердевания меди

Cu 1357,17 1084,12

55

Приложение В(справочное)

Дилатометрические и биметаллические термометрыДилатометрические и биметаллические термометры

предназначены для сигнализации и регулирования температуры воздуха, а также для контроля жидких и газообразных сред (воды, воздуха и т.д.).

Датчики-реле являются не показывающими приборами, а имеют шкалу задания температуры срабатывания контактов.

Чувствительный элемент дилатометрических термометров состоит из трубки, изготовленной из металла с большим коэффициентом температурного линейного расширения (латунь, алюминий и др.), и находящегося внутри трубки стержня из металла с малым коэффициентом температурного расширения (например, из инвара). Трубку прибора погружают полностью в контролируемую среду. При изменении температуры среды изменяется длина трубки; связанный с ней стержень перемещается, в результате чего замыкаются (размыкаются) контакты или перемещается чувствительный элемент преобразователя (рисунок Г.1).

В качестве чувствительного элемента в биметаллических преобразователях используется пластинка

56

или спираль, состоящая из двух сваренных по всей длине металлических пластин с разными коэффициентами температурного линейного расширения (например, из меди и инвара). При изменении температуры среды биметаллическая пластинка (спираль) изгибается, перемещая чувствительный элемент преобразователя или переключая контакты (рисунок Г.2).

Различают термометры двухпозиционные типа ДТКБ (биметаллические) и типа ТУДЭ (дилатометрические), а также трехпозиционные типа ТБ-ЭЗК (биметаллические).

1 - трубка из металла с большим коэффициентом температурного расширения; 2 - стержень из металла с малым коэффициентом температурного расширения.

Рисунок Г.1 Схема устройства чувствительного элемента

1, 2 — полосы из металлов с разными коэффициентами температурного линейного расширения;3—держатель подвижного контакта.

Рисунок Г.2 Схема устройства чувствительного элемента биметаллического преобразователя

57

дилатометрического преобразователя температуры

температуры

Приложение Г(справочное)

Манометрические термометрыПринцип действия измерителей температуры,

называемых манометрическими термометрами, основан на использовании однозначной зависимости между температурой и давлением термометрического вещества, находящегося в герметично замкнутой манометрической термосистеме. Манометрическая термосистема состоит из термобаллона, соединительной трубки (дистанционного капилляра) и упругого чувствительного элемента, которые совместно образуют герметический объем, занятый наполнителем — термометрическим (рабочим) веществом.

В зависимости от рода рабочего вещества и его агрегатного (фазового) состояния манометрические термометры подразделяют на три класса: газовые (Г), жидкостные (Ж) и конденсационные или парожидкостные (К).

Манометрические термометры выпускают в различных вариантах исполнения: в виде показывающих, самопишущих приборов без или со встроенными устройствами сигнализации или регулирования температуры. Общие требования, которым должны удовлетворять манометрические термометры, определены [8].

58

Схема конструктивного оформления показывающего манометрического термометра приведена на рисунке Д.1 Манометрическая термосистема термометра состоит из термобаллона 1, капилляра 2 и манометрической пружины 10. Температура термобаллона, погруженного в исследуемую среду, функционально преобразуется в давление рабочего вещества манометрической системы. Соединительный капилляр передает изменение давления на манометрическую пружину 10. Держатель 3 соединяет внутреннюю полость закрепленного конца пружины с капилляром. Свободный герметизированный конец пружины шарнирно связан поводком 5 с зубчатым сектором 4, который находится в зацеплении с трубкой 9. На оси трубки насажена стрелка 8 — указатель. Зазор в передаточном механизме выбирается спиральной пружинкой.

Термобаллон имеет цилиндрическую форму; его диаметр и длина зависят от рода термометрического вещества и диапазона измеряемых температур. Термобаллон обычно выполняют из стали 1Х18Н9Т.

Манометрическая пружина имеет сечение овальной формы или в виде восьмерки в, г.

При изменении температуры термобаллона б изменяется давление внутри манометрической системы а, происходит деформация (раскрутка или закрутка) пружины. Свободное перемещение конца пружины с помощью передаточного механизма (звеньев 5—7) преобразуется во вращение стрелки 8 — указателя относительно отметок оцифрованной в градусах Цельсия шкалы. Вариация температуры среды, в которой находится пружина, т.е. отклонение температуры пружины от её нормального значения 20°С, компенсируется с помощью термобиметаллического компенсатора 6.

В самопишущих манометрических термометрах (рисунок Д.2 ) давление в термосистеме, однозначно связанное

59

с температурой термобаллона и передаваемое капилляром, преобразуется в деформацию спиральной пружины.Один конец пружины закреплен в держателе 1, а свободный конец шарнирно связан посредством скобы 4, поводка 6, термобиметаллического компенсатора 5 с рычагом, который жестко соединен с поворотным рычагом 7. Перо для записи показаний расположено на конце рычага. Запись показаний производится на дисковой бумажной диаграмме, которая приводится во вращение (чаще со скоростью одного оборота в сутки) с помощью часового механизма или электрического синхронного микродвигателя 3. Имеются модификации манометрических термометров, записывающие показания от двух отдельных термосистем.

Более подробные сведения об устройстве, работе, монтаже и поверке манометрических термометров приведены в соответствующих технических инструкциях.

a—термосистема; б — термобаллон;

1 — держатель; 2 — спиральная манометрическая

60

в, г—профили сечения пружины; 1—термобаллон; 2 — капилляр; 3 — держатель; 4 — сектор; 5 — поводок; 6 — компенсатор; 7 — спиральный волосок; 8 — указательная стрелка; 9 — трубка; 10 — манометрическая пружина.

Рисунок Д.1 Схема устройства показывающего манометрического термометра

пружина; 3 — двигатель; 4 — скоба; 5 — компенсатор; 6 — поводок; 7 — рычаг; 8 — ось рычага; 9 — термобаллон; 10 — капилляр.

Рисунок Д.2 Схема устройства самопишущего термометра

Приложение Д(справочное)

Кварцевые датчики температурыДля измерения температуры традиционно

используются резистивные и термопарные ЧЭ. Простота их изготовления и , как следствие, низкая стоимость, стандартность передаточных характеристик обусловили широкое распространение подобных ЧЭ. В то же время информационный сигнал с этих элементов в подавляющем большинстве случаев соизмерим, а часто и меньше уровня помех, что приводит к низкой точности измерений либо заставляет применять сложные ( и дорогие) устройства обработки сигнала.

Поэтому разработчики измерительной техники периодически обращаются к альтернативным принципам преобразования температуры в электрический сигнал и , в частности, к ЧЭ температуры, выполненным на основе пьезокварцевых резонаторов, обладающих высокой точностью и долговременной стабильностью характеристик преобразования.

Датчики, построенные на основе пьезокварцевых ЧЭ, на выходе имеют частотный или цифровой сигнал, что

61

определяет их более высокую помехозащищенность по выходу, чем у датчиков с аналоговым сигналом.

Кварцевые резонаторы, применяемые в датчиках температуры, как правило, имеют толщинно – сдвиговую моду колебаний и характеризуются типовыми параметрами, приведенными в таблице Е.1.

Благодаря бурному развитию производства электронных кварцевых часов несколько лет назад появились кварцевые резонаторы, кристаллический элемент которых имеет форму камертона. Такая форма обеспечивает высокую стабильность колебаний резонатора при очень малых размерах кристалла – 3х1х0,1 мм. Физические, метрологические и стоимостные параметры микрокамертонных резонаторов позволяют в настоящее время изготавливать миниатюрные (что особенно важно для переносной, возимой и бортовой измерительной аппаратуры) дешевые датчики, одновременно обладающие высокими метрологическими характеристиками.

Таблица Д.1Типичные характеристики температурных

кварцевых датчиковНаименование параметра Значение

Диапазон измеряемых температур, оС

0…200

Диапазон частот выходного сигнала, Гц

400…1000

Амплитуда выходного сигнала, В

5

Предельно допускаемая основная погрешность, %в диапазоне 0-150оСв диапазоне 150-200оС

±0,1±0,2

Напряжение питания, В 7…36Ток потребления, мА, не более 2Сопротивление нагрузки при

62

выходном напряжении 5 В, Ом, не менее

500

Емкость нагрузки, пФ, не более 50…5000Диапазон рабочих температур, оС

-40…+60

Длина погружаемой части, мм 80…500Габаритные размеры корпуса, мм

80…500х85х85

Вид выходной характеристики Полином 3-ей степени либолинейный унифицированный

Конструктивные особенности IP55 по ГОСТ 14254-84виброустойчивость-N3 по

ГОСТ 12997-84

Сегодня объемы выпуска микрокамертонных резонаторов составляют сотни миллионов штук с год при цене несколько десятков центов за штуку.

В России серийным производством температурных кварцевых датчиков занимаются ОКБ «Термоавтоматика», ООО «Теплоконтроль», «СибВПКнефтегаз», ФГУП «НПО «Техномаш».

Традиционным предубеждением, сдерживающим более широкое использование кварцевых датчиков температуры в измерительной технике, является ссылка на нелинейность и индивидуальность НСХ, и, как следствие, трудоемкость обработки результатов калибровки и измерения. Некоторое время назад эта проблема действительно являлась значительным препятствием, стоящим на пути дальнейшего развития и широкого применения кварцевых датчиков температуры, и решалась она путем занижения метрологических характеристик пьезокварцевых резонаторов.

Сегодня эта ситуация выглядит иначе: решение реализуется на аппаратном уровне путем аналоговой или цифровой обработки сигнала, поступающего с ЧЭ. Наиболее перспективным представляется цифровой способ обработки

63

сигнала с использованием однокристального микроконтроллера, т.к. это позволяет уменьшить габаритные размеры датчика.

Если ранее основной мотивацией разработки датчиков температуры на основе кварцевых резонаторов была ориентация на их высокие метрологические характеристики, то в последние годы все чаще за рубежом на базе кварцевых резонаторов решаются задачи измерения температуры и передачи результатов на расстояние по беспроводным каналам связи. Этим направлением активно занимаются такие фирмы как «Bartington Instruments», «TechCare Systems Inc.».

Для этого направления измерительной техники бесспорно предпочтительны пьезокварцевые датчики, т.к. они не требуют дополнительных преобразований выходного сигнала в частоту. В измерительный прибор, в основе которого лежит кварцевый ЧЭ, встраивается радиопередатчик небольшой мощности, достаточной для передачи данных на стационарную станцию измерения параметров. Расстояние от датчика до станции составляет порядка 1…5 км. Эти комплексы «датчики – базовая станция» могут найти применение в тех местах, где прокладка электрического кабеля затруднена, а иногда и экономически нецелесообразна.

Датчики, построенные на пьезокварцевых резонаторах, способны измерять, кроме температуры, давление, влажность, массу и другие физические параметры. По разрешающей способности, точности и стоимости датчики на пьезокварцевых резонаторах во многих случаях превосходят первичные преобразователи, выполненные на основе других физических принципов. Это позволяет относительно просто и эффективно реализовать многопараметрические измерительные системы, использующие единый подход к построению устройств обработки информации о разных физических величинах. Примером могут служить метеорологические станции, у которых температура, влажность, атмосферное давление измеряются с помощью

64

пьезокварцевых резонаторов на пунктах сбора климатических параметров, а оттуда информация поступает на стационарную измерительную станцию.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение…………………………………………………….…..31 Температура и единицы измерения………………….…..….41.1 Международная температурная шкала………………...…52 Классификация средств измерения температуры……….…72.1 Основные типы контактных термометров……………......112.2 Основные типы бесконтактных термометров……….……113 Основные промышленные средства измерения температуры……………………………………………………………….163.1 Термопары, их основные типы и области применения….183.2 Термометры сопротивления, их основные типы и областиприменения……………………………………………………...314 Использование измерительных преобразователей температуры в автоматизированных системах………………………...42

65

5 Опыт применения средств измерения температуры в разработках ФГУП «Турбонасос»……… …………………….….…46Заключение………………………….…………………..……….49Библиографический список…………………………….……....50Приложения………………………………………………...…...51

66

Учебное издание

Булыгин Юрий АлександровичСкуфинский Александр ИвановичСоколов Сергей Александрович

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ В НЕФТЕГАЗОВОМ ОБОРУДОВАНИИ

В авторской редакции

Компьютерный набор П.В. Огурцова

Подписано к изданию 21/12/04. Уч. изд. л. 4

Воронежский государственный технический университет 394026 Воронеж, Московский просп., 14

3