«Кафедра металлургических технологий Е.В, Братковский, А.В. Заводяный ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ И ПРИБОРЫ Учебное пособие для студентов специальности 151010 Металлургия черных металлов всех форм обучения Новотроицк 2007 ...»

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ

НОВОТРОИЦКИЙ ФИЛИАЛ

Кафедра металлургических технологий

Е.В, Братковский, А.В. Заводяный

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ И ПРИБОРЫ

Учебное пособие для студентов специальности 151010 «Металлургия черных металлов»

всех форм обучения Новотроицк 2007 2 Содержание 1. Основы метрологии и измерительной техники

1.1 Основные понятия метрологии и измерительной техники

1.2 Классификация методов и средств измерения

1.3 Измерительные преобразователи и схемы дистанционной передачи показаний

2. Контактные методы измерения температуры

2.1 Понятие о температуре и температурных шкалах. Классификация методов и приборов для измерения температуры

2.2 Термометры расширения

2.3 Манометрические термометры

2.4 Электрические термометры сопротивления

2.5 Мостовые схемы измерения сопротивления термометров

2.6 Термоэлектрические термометры

2.6 Милливольтметры

2.7 Компенсационный метод измерения т.э.д.с.

3. Бесконтактная пирометрия

3.1 Основные понятия и законы излучения

3.2 Принцип действия и устройство пирометров излучения

4. Измерение давления и перепада давления

4.1 Общие сведения. Единицы измерения давления

4.2 Жидкостные приборы

4.3 Манометры с упругими чувствительными элементами

4.4 Электрические манометры и вакуумметры

4.5 Дифференциальные манометры

5. Измерение расхода и количества газов, жидкостей и пара

5.1 Классификация методов измерения расхода и количества

5.2 Тахометрические, скоростные и объемные устройства для измерения расхода и количества

5.3 Измерение расхода методом постоянного перепада давлений

5.4 Расходомеры с сужающим устройством

6. Измерение уровня, плотности тепловых потоков и теплоты сгорания топлива

6.1 Уровнемеры для жидких и сыпучих тел

6.2 Плотномеры жидкостей и газов

6.3 Тепломеры и термозонды

Введение Теплотехнические измерения и приборы образуют обширную совокупность методов и средств измерений и представления информации о параметрах тепловых агрегатов в процессе металлургического производства, обеспечивающие их высокопроизводительную, экономичную и безопасную работу. Информативные системы автоматического контроля необходимы для создания эффективных автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП), а также для проведения пуско-наладочных и научно-исследовательских работ на указанных агрегатах.

Металлургические производства имеют высокую оснащенность контрольноизмерительной аппаратурой. Например, в условиях комбината с полным металлургическим циклом на каждый 1 млн. т выплавляемой стали приходится примерно 1600 датчиков температуры, 1500 манометров и дифманометров, 600 измерительных диафрагм, 2500 вторичных показывающих и регистрирующих приборов, множество различных приборов для контроля механических, электрических и других величин. Значительную часть функций по производственному контролю выполняет электронно-вычислительная техника.

К основным теплотехническим параметрам можно отнести температуры различных конструктивных элементов агрегатов, выплавляемого или нагреваемого в них металла, газов, жидкостей, сыпучих материалов; расход, давление, плотность и состав газов и жидкостей, состав металла, тепловые потоки и т.д., т.е. все те параметры, которые определяют теплотехнические режимы металлургических печей.

1. Основы метрологии и измерительной техники 1.1 Основные понятия метрологии и измерительной техники Измерения и метрология. Важнейшей стороной существования современного общества является информация, значительную часть которой составляет измерительная. Измерению подвергаются более 2000 физических величин, общее число измерений насчитывает сотни миллиардов в год. На измерения в разных отраслях производства расходуется от 10 до 70 % затрат общественно полезного труда, в том числе около 15 % в машиностроении и 15-25 % в химии и металлургии. Брак продукции вследствие неправильно назначенных для измерения средств достигает %, неумелое использование приборов и отсутствие квалифицированного персонала приводят к выпуску некачественной продукции в 51 случае из 100 случаев брака.

Анализ тенденций развития науки, техники и технологии позволяет сделать вывод о том, что наблюдается все больший рост требований к точности измерений, их оперативности, усложнению самих измерительных систем. Автоматизация производства и расширение использования гибких производств предопределили необходимость полной автоматизации измерений, интеллектуализации и роботизации этого процесса.

Д.И. Менделеев считал, что "наука начинается с тех пор, как начинают измерять, а точная наука немыслима без меры". Именно наличие меры позволяет получить количественный результат, объективность которого гарантирует весь комплекс специальных средств измерения, условий и процедур осуществления измерения.

Измерение следует рассматривать с технической, метрологической и гносеологической точек зрения. С технической стороны измерение представляется как совокупность операций по применению технического средства для измерения, с метрологической - сравнение измеряемой физической величины с ее единицей. Гносеологический аспект сводится к получению значения и погрешности измеряемой величины в удобной для дальнейшего использования форме.

Измерение является наиболее полным способом объективного количественного выражения физических величин. Суть измерения заключается в проведении эксперимента, который позволяет установить однозначное соответствие между единицей измеряемой физической величины [Q] и самой величиной Q= n[Q], где n число единиц. Метрология рассматривается как наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности при измерениях. Метрология изучает измерения физических величин и образующие измерение элементы: физические величины и их единицы, методы и методики измерений, погрешности средств и результатов измерений.

Метрология решает вопросы обеспечения единства измерений при требуемой их точности. Это достигается единой системой физических единиц, разработкой унифицированных измерительных устройств в стандарте Государственной системы приборов (ГСП) и эталонной базы для передачи размера физических величин.

В стране насчитывается 150 государственных и несколько сот вторичных эталонов, парк образцовых приборов. Метрологические правила и нормы изложены Государственной системой обеспечения единства измерений (ГСИ). Передача размера единиц измерения средствам измерения осуществляется по поверочным схемам, представляющим пирамиды с государственными эталонами в вершине и рабочими средствами измерений в основании. Иерархическая схема передачи размера единицы измерения представляется в виде: государственный эталон вторичные эталоны образцовые средства измерений рабочие средства измерений.

Метрология связана с разработкой унифицированных методик измерения, включающих единые требования к методу и условиям измерений, а также к квалификации персонала, нормированию пределов погрешностей измерения, установлению границ их достоверности.

Метрология, как и любая наука, состоит из фактов, образующих науку; представлений, их вызывающих, и слов, их выражающих. Фактами в метрологии считаются физические величины, их единицы, средства измерений; измерения, методы и методики, результаты, погрешности измерений и средств измерений. Представление является отражением в сознании ранее воспринятых фактов. Представление, отражающее существенные стороны, называют понятием.

В технике понятия и представления стараются унифицировать в виде терминов. Метрологические понятия закреплены ГОСТ 16263-70 "ГСИ. Метрология. Термины и определения".

Вопросами метрологии занимаются специальные учреждения, возглавляемые Государственной метрологической службой при Госстандарте СССР. Эти службы, помимо обеспечения единства измерений, призваны обеспечивать метрологическую подготовку производства, создание и метрологическую аттестацию несерийных средств измерений, метрологическую экспертизу конструкторской и технологической документации.

Таким образом, метрология призвана обеспечить качество измерений. Под качеством измерений понимают совокупность параметров измерений, обеспечивающих своевременное получение необходимых результатов с требуемыми точностными характеристиками. В качестве параметров измерений рассматриваются:

а) точность результатов измерений, определяемая в соответствии с погрешностями средств и методов измерений. Точностью называют характеристику, отражающую близость к нулю погрешности результата. Более точный результат имеет меньшую погрешность;

б) сходимость, определяющая близость друг к другу повторных результатов, выполненных в одинаковых условиях измерения одним и тем же методом; Количественно эта характеристика оценивается разностями полученных значений или отсчетов показаний измеряемой величины, а также размахом, средней квадратической или средней арифметической погрешностью. Воспроизводимость отражает близость результатов измерений одной и той же величины, полученных в разных местах разными методами и средствами, разными субъектами измерения, в разное время, но приведенных к одним и тем же условиям измерения. Она характеризуется средней квадратической погрешностью сравниваемых групп измерений;

в) оперативность получения измерительной информации, определяемая методикой и уровнем автоматизации процесса измерений и обработки результатов;

г) единство измерений, обусловленное применением узаконенных единиц, сохранением их размера в пределах установленной погрешности, использованием стандартизованных и аттестованных средств и методик измерения;

д) эргономические и экологические показатели системы "измеритель - объект измерения - средство измерения", характеризуемые уровнем вредных воздействий на персонал и окружающую среду.

Физические величины и единицы физических величин.

Физической величиной называют определенное свойство материального объекта, качественно общее множеству объектов, но количественно индивидуальное для каждого из них. Они подразделяются на величины материального мира и величины идеальных моделей, которые делятся на измеряемые, оцениваемые и вычисляемые.

Количественную определенность присущую конкретному явлению, называют размером или значением физической величины. Различают истинное и действительное значение физической величины. Истинное значение является идеальным представлением измеряемой величины, оно остается неизвестным в силу погрешности применяемых средств, колебаний условий измерений и т.п. Получаемый при измерении результат является действительной величиной. Эта величина получается экспериментально при измерении и настолько близка истинному значению, что при практическом применении может его заменить. В качестве действительной величины при поверке принимается результат, показанный образцовым прибором; при однократном измерении результат, полученный при измерении более точным прибором; при многократных измерениях среднее арифметическое значение.

При измерениях оперируют понятиями, влияющей физической величины и физического параметра Влияющая величина не измеряется при измерении, но оказывает влияние на средство и объект измерения, искажая результат. Измеряемая величина может иметь частные особенности, которые и являются ее параметрами.

Например, при измерении напряжения переменного тока его частота и несинусоидальность являются параметрами.

Единицей физической величины является физическая величина условно принятого фиксированного размера, равного 1, используемая для сравнения с однородными ей величинами. Совокупность единиц физических величии, образованных в Соответствии с заранее оговоренными принципами, называют системой единиц.

Единицы физических величин являются исторически изменяющимися категориями, претерпевшими в ходе технического развития переход от субъективных (например, единицы длины -ладонь, фут -длина ступни; площади - колодец - площадь, которую можно получить из одного колодца и т.п.) к объективным метрическим.

В настоящее время принята Международная система единиц (СИ), включающая 7 основных единиц, 2 дополнительные единицы, 27 производных единиц и приставок для образования кратных и дольных единиц. В нашей стране единицы, обязательные для применения, установлены ГОСТ 8.427–81, который соответствует стандарту СЭВ СТ 1052-78 «Единицы физических величин».

Основными единицами СИ являются метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, моль, кандела; дополнительными единицами служат радиан и стерадиан. Производные единицы образуются в соответствии с уравнением, связывающим ее с основными и другими производными единицами. Например, скорость определяется уравнением v l / t, м/с, где l - расстояние, м; t - время, с. Выражение, определяющее эту связь, называют уравнением размерности физической величины, для приведенного примера формула размерности - v l / t.

Теплофизические единицы, применяемые на практике, в большинстве являются производными или внесистемными единицами: силы - ньютон; давления - паскаль или миллиметр водяного или ртутного столба; теплоты и анергии - джоуль или калория; мощности - ватт или лошадиная сила и др.

Кратные единицы величины в целое число раз больше, а дольная - меньше системной или внесистемной единицы физической величины; например, 1 м = см - кратная единица длины, а 1 м = 10-3 км - дольная единица длины.

1.2 Классификация методов и средств измерения Измерение - процесс получения информации, заключающийся в сравнении опытным путем измеряемых и известных величин или сигналов, выполнения необходимых логических операций и представления информации в удобной для восприятия и передачи форме.

Измерение физической величины сводится к совокупности целесообразных операций по использованию технического средства, хранящего единицу физической величины, для сравнения размера этой величины с ее единицей с целью получения значения в форме, удобной для использования. Объектом измерения является физическая величина.

Измерение подразумевает акт взаимодействия компонентов измерительной системы, включая и субъект измерения. Схема и структура операций измерения представлена на рисунке 1.1.

По системообразующим признакам измерения можно классифицировать следующим образом: по точности - равноточные и неравноточные; по числу измерений - однократные и многократные; по изменению измеряемой величины времени - статические и динамические; по назначению - технические и метрологические; по выражению результата - абсолютные и относительные; по методам получения результата - прямые, косвенные, совместные, совокупные.

К равноточным измерениям относят измерения, выполненные при одних и тех же условиях одинаковыми по точности средствами измерений, а к неравноточным те, когда хотя бы одно из вышеперечисленных условий не выполняется. К многократным измерениям обычно относят измерения, производимые n 4 раз.

Динамические измерения в отличие от статических характеризуются тем, что значение измеряемой величины в процессе его получения изменяет свой размер и требует точной фиксации времени в момент измерения.

К техническим измерениям относят измерения, производимые при помощи рабочих средств с целью контроля параметров, управления процессами, получения фактографического материала, диагностики и т.п. Метрологические измерения преследуют цель воспроизведения единиц физических величин или передачи их размера рабочим средствам измерения.

При прямых измерениях значение считывают непосредственно с отсчетного устройства средства измерения, а при косвенном методе искомое значение вычисляется с помощью функционального соотношения, связывающего находимую физическую величину с результатами прямых, косвенных, совокупных, совместных измерений независимых аргументов определяемой величины X1,X2,…..,Xn, f= F(X1,…,Xn). Прямые измерения называют абсолютными.

Совокупные измерения предполагают измерения нескольких однородных величии в различных сочетаниях, значения которых определяют путем решения системы уравнений.

К совместным измерениям относят одновременные измерения нескольких неоднородных величин для установления зависимости между ними. Искомые величины при совокупных и совместных измерениях определяются из систем уравнений, связывающих значения определяемых величин со значениями величин, полученных при прямых или косвенных измерениях. Примером метода совместного измерения является определение значения параметров R0, а зависимости сопротивления термопреобразователя от температуры При этом осуществляются прямые измерения трех значений температуры Т1, Т2, Т3. Затем из решения системы уравнений получают значения R0, и.

Средствами измерений называют устройства или комплексы технических устройств, предназначенные для измерений, имеющие нормированные технические характеристики, хранящие одну или несколько воспроизводимых в течение определенного времени единиц физических величин. Они включают: меры, измерительные приборы, измерительные установки, измерительно-вычислительные комплексы, измерительные преобразователи, измерительные устройства, измерительные принадлежности и средства сравнения.

Меры - это средство измерений, воспроизводящее и хранящее физическую величину одного или нескольких размеров. Однозначные меры воспроизводят единицы измерения или их кратные или дольные залоги: гири, плоскопараллельная концевая мера длины. Многозначные меры образуются из наборов однозначных мер: магазины резисторов, наборы гирь, калибров.

Измерительные преобразователи - средства, предназначенные для Выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и хранения, но не воспринимаемой непосредственно наблюдателем. Преобразуемая величина называется входной, а результат преобразования - выходной величиной; соотношение между ними задают функцией преобразования. Преобразователи по выполняемым функциям и месту в измерительной цепи делятся на первичные (преобразуют измеряемую величину в информативный сигнал в соответствии с заложенным в I принципе действия свойством; термоэлектрические, индукционные, пьезоэлектрические в т.п.); передающие (преобразуют измеряемую в сигнал, удобный для передачи и приема) и промежуточные (преобразование сигналов в форму и вид, удобный для организации работы измерительных приборов, систем, комплексов и устройств).

Преобразователи широко применяются в измерительных цепях.

Рисунок 1.2 – Блок-схема системы измерения температуры Источник информации о температуре 1 воздействует на первичный преобразователь - термоэлектрический преобразователь 2, в котором неэлектрическая величина (температура Т) преобразуется в электрический сигнал (т.э.д.с. Е). Электрический сигнал поступает на нормирующий промежуточный преобразователь 3 для преобразования информации о температуре в токовый сигнал Iн. Ток подается на кодирование сигнала в аналого-цифровой преобразователь 4, дискретные сигналы которого поступают в передатчик 5 и на канал связи 7. При передаче возможно наложение помехи 8. Дискретные сигналы поступают на интерфейс приемника 9 и декодирование сигнала в преобразователь 10 с последующим преобразованием сообщения в преобразователе-дешифраторе 11 из двоичного кода в десятичный. Декодированное сообщение индуцируется оператору на средстве отображения информации 12. Результат может регистрироваться на аналоговом измерительном приборе 14 после промежуточного преобразования кодовой записи в аналоговый сигнал в цифро-аналоговом преобразователе 13. Модули 6 и 15 выполнены в виде интегральных микросхем.

Измерительные приборы представляют собой средства измерения, предназначенные для выработки сигнала измеряемой информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем (потенциометр, мост и т.п.).

Задачей измерительной техники является создание систем, включающих измерительные приборы и обеспечивающих измерение без участия человека, т.е. систем автоматического контроля. Измерительные приборы классифицируются по ряду признаков:

- по роду измеряемой величины для измерения: температуры (термометры, пирометры); давления и разрежения (манометры, вакуумметры, тягонапоромеры, барометры и т.п.); количества и расхода вещества, энергии (расходомеры, счетчики); уровня (уровнемеры и сигнализаторы); состава (газоанализаторы, концентратомеры);

- по назначению: технические (рабочие) - измерение технологических и технических параметров; контрольные - поверка технических средств измерения; лабораторные - для применения в экспериментальной технике; образцовые - поверка контрольных измерительных приборов; эталонные - поверка образцовых приборов;

- по характеру представления информации и промышленному назначению:

показывающие - имеющие только визуальный отсчет результата измерения; регистрирующие -имеющие устройства для регистрации (записи) результата измерения;

индикаторные – показывающие только наличие или отсутствие сигнала; обработки информации;

- по дистанционному признаку: местного контроля; дистанционного контроля; телеметрического контроля;

- по характеру регистрации и контроля измеряемого сигнала во времени: непрерывного (аналогового) действия; дискретного действия;

- по принципу действия: механические; электрические; гидравлические;

пневматические; радиоактивные и т.п.

- по условиям измерения: стационарные; переносные;

- по габаритам: нормальные (полногабаритные); малогабаритные; миниатюрные;

- по числу контролируемых величин: одноточечные; многоточечные; многоканальные.

1.3 Измерительные преобразователи и схемы дистанционной передачи показаний Измерительные преобразователи подразделяются на первичные, промежуточные и передающие. Первичные преобразователи являются начальным структурным элементом в измерительной цепи, непосредственно реагирующим на измеряемую физическую величину, поэтому их устройство зависит от особенностей измеряемой величины. Принцип действия и конструкции первичных преобразователей рассмотрены в разделах учебника, посвященных измерениям конкретных параметров (давления, температуры, состава и т.д.). Устройство промежуточных и передающих преобразователей ж связано непосредственно с видом контролируемой физической величины. Одни и те же преобразователи используют при измерении различных параметров. Основными промежуточными и передающими преобразователями являются реостатные (потенциометрические), индуктивные, индукционные, токовые, частотные, пневматические.

Рисунок 1.3 – Потенциометрические преобразователи Реостатные (потенциометрические) преобразователи (реостаты и потенциометры) представляют собой переменные электрические сопротивления, величина которых зависит от положения токосъемного контакта X. Реостаты включаются в цепи, где измеряется их сопротивление R, а потенциометры - в цепи, где измеряются напряжения V, т.е. переменное сопротивление служит делителем напряжения. Характеристики реостатов и потенциометров выражаются зависимостями Наибольшее распространение получили реостаты и потенциометры непрерывной намотки, в которых сопротивлением служит, намотан в один ряд на каркас проволока, по зачищенной поверхности которой скользит токосъемный контакт.

Различные типы потенциометрических преобразователей. Каркасы изготовляют из изоляционных материалов (пластмассы, текстолита, керамики); для намотки применяют проволоку из благородных металлов платины, золота, палладия, а также из константана, манганина, рома).

Использование потенциометров в измерительных цепях приводит к возникновению погрешностей. Наличие зоны нечувствительности, анной тем, что перемещение контакта в пределах одного витка проволоки не вызывает изменения выходного сигнала, неравномерность характеристики, вызванная непостоянством диаметра, удельного сопротивления провода, шага намотки, натяжения провода, люфт в механизме перемещения контакта приводят к появлению погрешности этого вида преобразователей.

Основной недостаток реостатных и потенциометрических преобразователей связан с наличием электрического подвижного контакта и возможностью его износа, загрязнения, разрыва. Этого недостатка лишены индуктивные и индукционные преобразователи.

Индуктивные преобразователи служат для преобразования перемещения в изменение индуктивности, а индукционные - для преобразования перемещения, в изменение взаимной индукции между двумя более, катушками. Индуктивный преобразователь представляет собой электромагнитную цепь, состоящую из катушки 1, мотанной на неподвижном, сердечнике 2, и подвижного сердечника 3. При изменении положения подвижного сердечника (входная величина) относительно неподвижного меняется магнитное сопротивление R 2 / 0 S воздушных зазоров при постоянном магнитном сопротивлении сердечника Rс и индуктивность катушки L. Эта зависимость выражается формулой где частота тока, Гц; S - площадь зазора, см2; 0 = 1,26 10-6 - магнитная проницаемость воздушного зазора, Г/м.

При прочих неизменных условиях индуктивность зависит только от величины воздушного зазора, т.е. от перемещения х подвижного сердечника. На рисунке приведен пример выполнения индуктивного преобразования с одной катушкой l, охватывающей перемещающийся внутри не сердечник 3.

Рисунок 1.4 - Индуктивные и индукционные преобразователи Для увеличения чувствительности применяют преобразователи с двумя катушками. В среднем положении сердечника сигнал на выходе равен нулю, а при переходе сердечника через среднее положение сигнал меняет фазу на 180 0.

В индукционном преобразователе имеются две катушки, содержащие W1 и W2 витков. При изменении магнитного сопротивления RM цепи, например при изменении воздушного зазора, меняется взаимоиндукция М между катушками, которая определяется формулой Одна из катушек является первичной, питаемой от источника переменного тока. Во вторичной обмотке наводится э.д.с., которая зависит от изменения взаимоиндукции. Выходной величиной преобразователя является э.д.с., величина которой зависит от положения сердечника х.

Разновидность индукционного преобразователя, который называют дифференциально-трансформаторным. В нем имеются первичная питающая катушка W1 и две вторичные W’2 и W”2, которые включены дифференциально, т.е. навстречу друг другу, что повышает чувствительность устройства.

В частотном преобразователе, входной сигнал модулирует (изменяет) частоту выходного сигнала. До момента времени 1 входной сигнал имел величину Х1, а выходной – частоту f1. После изменения входного сигнала до значения Х2 частота выходного сигнала стала f2 и затем соответственно Х3 и f3.

Основным элементом частотных преобразователей является генератор высокой частоты с устройством для модуляции выходной частоты в зависимости от величины входного сигнала.

Входная величина в виде перемещения X через передачу 1 изменяет положение электропроводного экрана 2 относительно катушек индуктивного датчика L1 и L2, меняя тем самым величины индуктивностей. Для генератора, показанного на схеме и имеющего, помимо контуров, R1,L1 и R2,L2, усилитель 3, частота автоколебаний, возникающих в контуре, определяется формулой С выхода усилителя 3 модулированное по частоте напряжение поступает либо непосредственно на дискретное регистрирующее устройство, либо на демодулятор, где превращается в непрерывный электрический сигнал, пропорциональный входной частоте, и далее на регистрирующий прибор. Диапазон рабочих частот преобразователей 4-8 кГц.

Схема передачи сигналов с использованием потенциометрических преобразователей. Потенциометр R1 расположен в первичном преобразователе, а потенциометр R2, электронный усилитель и реверсивный двигатель РД - в измерительном приборе. Подвижный контакт потенциометра R1 перемещается в соответствии с измеряемой величиной X. Подвижный контакт потенциометра R2 приводится в движение двигателем РД. Если подвижные контакты обоих потенциометров находятся в одинаковых положениях, то напряжение на входе усилителя U 0 и двигатель не вращается. Если контакт потенциометра первичного преобразователя из-за очередного изменения контролируемого параметра смещается, то на выходе усилителя появляется напряжение рассогласования U 0, которое усиливается и приводит в движение реверсивный двигатель и контакт Потенциометра R2 для устранения рассогласования. В схеме используется фазочувствительный усилитель, так как фаза сигнала разбаланса на входе усилителя зависит от взаимного расположения подвижных контактов потенциометров и меняется в момент прохождения состояния баланса одним из контактов. Изменение фазы сигнала разбаланса приводит к изменению фазы выходного сигнала усилителя и к перемене направления вращения двигателя, поэтому двигатель называется реверсивным.

Рисунок 1.6– Потенциометрическая система передачи показаний Широкое распространение получила дифференциально-трансформаторная система передачи показаний, схема которой приведена на рисунке. Эта схема, так же как и потенциометрическая, является компенсационной, т.е. такой, где сигнал одного преобразователя компенсируется встречным сигналом другого. Подвижный сердечник первичного дифференциально-трансформаторного преобразователя ДТ перемещается, например, под воздействием мембраны манометра р, а вторичного (компенсирующего) ДТ2 - реверсивным двигателем РД измерительного прибора.

Первичные обмотки обоих преобразователей включены последовательно и питаются от клемм а и б усилителя. Вторичные обмотки обоих преобразователей состоят из двух секций, включенных навстречу друг другу.

а – первичный преобразователь; б - вторичный прибор Рисунок 1.7 – Дифференциально-трансформаторная система Если сердечник такого преобразователя располагается посередине катушки, то сигнал на выходе вторичной обмотки (клеммы u и k), равен нулю, так как токи в обеих ее секциях равны, а встречное соединение секций обеспечивает вычитание токов. При смещении сердечника от среднего положения на выходе вторичной обмотки появляется сигнал той или иной фазы в зависимости от того, сместится сердечник вверх или вниз от среднего положения. Вторичные обмотки преобразователей ДТ1 и ДТ2 включены навстречу друг другу, и разность их сигналов поступает на входные клеммы в и г усилителя, с выходных клемм д и е которого усиленный управляющий сигнал приводит в движение двигатель РД и сердечник преобразователя ДТ2 в направлении устранения разбаланса. Таким образом, сердечник преобразователя ДТ2 постоянно следит за перемещением сердечника преобразователя ДТ1.

Одновременно с сердечником двигатель РД перемещает стрелку на шкале прибора, положение которой соответствует положению сердечника первичного преобразователя и величине измеряемого Параметра (в данном случае давления Р). Переменное сопротивление R3 вместе со вторичной обмоткой трансформатора вторичного прибора служит для корректировки нуля прибора. Сопротивлениями R1 и R2 производятся настройка системы и согласование перемещений сердечников, так как они позволяют несколько варьировать выходными сигналами преобразователей. Рассмотренная система обеспечивает возможность передачи сигналов измерительной информации на расстояния до 250 м без появления дополнительной погрешности.

2. Контактные методы измерения температуры 2.1 Понятие о температуре и температурных шкалах. Классификация методов и приборов для измерения температуры Одним из основных параметров, определяющих ход металлургических процессов, является температура. Работа печных агрегатов характеризуется температурой металла, шлака, топлива, защитной атмосферы, дымовых газов, кладки, а также других сред и элементов рабочего пространства. От точного и надежного измерения данной величины в значительной мере зависит эффективность функционирования АСУ ТП. Многообразие задач предопределило появление большого числа различных методов и средств контроля температуры.

Тепловое состояние тела (степень его нагретости) определяется средней кинетической энергией поступательного движения молекул данного тела. Следовательно, и температура, характеризующая тепловое состояние физического объекта, является статистической величиной, поэтому ее измерение имеет смысл только в телах, состоящих из достаточно большого числа молекул.

Разный уровень температур двух тел, находящихся в контакте, определяет направление теплопередачи: тело с более высокой температурой отдает свою внутреннюю энергию телу с более низкой температурой до тех пор, пока их температуры не станут равными.

Таким образом, температура тела - параметр состояния, который определяет направление передачи тепловой энергии. Измерить температуру непосредственно, как плотность или линейные размеры, невозможно, поэтому температуру определяют косвенно, по изменению физических свойств различных тел, получивших название термометрических, например, объемное расширение, изменение электрических свойств: электрической проводимости, термоэлектродвижущей силы (т.э.д.с.) и т.п.

Для определения изменяющегося уровня теплового состояния необходимо иметь непрерывный ряд значений выбранного свойства термометрического вещества, т.е. температурную шкалу, под которой таким образом понимается непрерывная совокупность чисел, линейно связанных с числовыми значениями данного достаточно точно измеряемого физического свойства, являющегося однозначной и монотонной функцией температуры.

Для построения известных температурных шкал обычно используют две постоянные реперные точки t1 и t2, в качестве которых выбирают температуры фазового равновесия однокомпонентных систем.

Данным точкам присваивают произвольные числовые значения и предполагают, что термометрическое свойство Е используемого в термометре вещества линейно изменяется с температурой t где k - коэффициент пропорциональности; D - постоянная.

Для определения температур вычисляют постоянные k и D строят условную температурную шкалу.

На этом принципе основаны шкалы Фаренгейта (0F), Реомюра (0R) и Цельсия ( С), появившиеся в XIX в. В них за опорные (реперные) точки принимались температуры замерзания и кипения воды. Температура замерзания воды принимается за R, 0 0C и 33 0F, точка ее кипения - 80 0R, 100 0С и 212 0F (в шкале Фаренгейта имеется еще одна реперная точка, равная 100 0F - это температура тела здорового человека). Однако указанные температурные интервалы разбивались на различное количество одинаковых частей - градусов. Указанные шкалы отличаются только видом зависимости Е=f(t) и поэтому могут быть пересчитаны одна в другую по формуле Применение указанных типов шкал при использовании различных термометрических веществ, таких как спирту ртуть и т.п., давало хорошие результаты в узком диапазоне температур. Однако с развитием измерительной техники было обнаружено, что различные термометры хорошо воспроизводят только две реперные точки, а в промежуточных значениях шкал, вследствие зависимости свойств заполнителя и сосуда (коэффициентов линейного расширения) от температуры, их показания расходятся, причем эти различия особенно ярко проявляются при высоких и очень низких температурах.

Более точными являются условные газовые температурные шкалы, так как свойства газов меньше зависят от уровня измеряемых температур. Шкала водородного газового термометра с диапазоном (-25 100)0С в конце XIX в. признана "нормальной" и положена в основу теплотехнических измерений. Температура в нем фиксировалась по изменению давления газа при постоянном объме.

В середине прошлого века Кельвин предложил термодинамическую шкалу, основанную на втором законе термодинамики и независящую от свойств термометрического вещества. В указанной. шкале за нулевое значение принята температура абсолютного нуля. Один градус по термодинамической температурной шкале - градус Кельвина (К) - соответствует такому повышению температуры, которое равно 1/100 части работы по циклу Карно между точками плавления льда и кипения воды при нормальном атмосферном давлении. Деление на 100 равных частей было предложено для сохранения преемственности со стоградусной шкалой Цельсия.

Термодинамическая шкала тождественна температурной шкале идеального газа, которую можно получить, вводя поправки (от 0,001 до 0,5 0С) к показаниям реального газового термометра. Последние могут применяться для воспроизведения термодинамической стоградусной шкалы до температур, не превышающих 1200 0С.

Необходимо также отметить, что газовые термометры достаточно сложные приборы, пользоваться которыми на практике неудобно. Для обеспечения единства измерений в широком интервале температур от 0,01 до 100000 К в стране с 1.011976 г.

установлены практические температурные шкалы и регламентированы методы воспроизведения, позволяющие получать температуры, близкие по значениям к термодинамическим температурам. Единицей температуры в практических шкалах, так же как и в термодинамической шкале, является кельвин (К). Допустимо применение и другой единицы температуры - градус Цельсия (0С). Между кельвином и градусом Цельсия существует следующее соотношение где t- температура, 0С; Т - температура, К.

Единица кельвин определена как 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды. Разность температур выражается либо в кельвинах, либо в градусах Цельсия.

В производственной практике наиболее широко используется Международная практическая температурная шкала 1968г. (МПТШ-68), установленная для интервала температур от 13,81 до 6300 К. МПТШ-68 базируется на эталонных приборах и 11 реперных точках, которым присвоены точные значения температур. Реперные точки воспроизводятся с высокой точностью при помощи фазовых равновесий ряда чистых веществ. Платиновый термометр сопротивления используется в интервале температур от 3,81 до 903,89 К (от -259,34 до +630,74 0С), а термоэлектрический платинородий-платиновый термометр от 903,89 до 1337,58 К (630,74-1064, С). Выше 1337,58 К температуру определяют с помощью закона излучения Планка.

Таблица 2.1 - Некоторые реперные точки МПТШ- Равновесие между твердой, жидкой и парообразной 13,81 -259, фазами равновесного водорода (тройная точка равновесного водорода) Равновесие между твердой, жидкой и парообразной 54,361 -218, фазами кислорода (тройная точка кислорода) Равновесие между жидкой и парообразной фазами 90,188 -182, кислорода (точка кипения кислорода) Равновесие между твердой, жидкой и парообразной 273, 16 0, фазами воды (тройная точка воды) Равновесие между жидкой и парообразной фазами 373,15 воды (точка кипения воды) Равновесие между твердой и жидкой фазами цинка 692,73 419, (точка затвердевания цинка) Равновесие между твердой и жидкой фазами сереб- 1235,08 961, ра (точка затвердевания серебра) Равновесие между твердой и жидкой фазами золота 1337,58 1064, (точка затвердевания золота) Примечание. Значения температур (за исключением тройных точек) даны для состояния равновесия при давлении Р=101,325 кПа.

Специальными поверочными схемами осуществляется передача с определенной точностью практических температурных шкал от эталонов к образцовым средствам измерений, а от них - рабочим измерительным устройствам и приборам.

Эталоны имеют наивысшую метрологическую точность, образцовые приборы 1-го, 2-го и 3-го разрядов имеют большую погрешность, увеличивающуюся с номером разряда.

В научно-технической и производственной практике существует значительное число разнообразных устройств для измерения температуры твердых, жидких и газообразных веществ, использующих различные термометрические свойства и носящих название термометр. Термометр - это прибор, применяемый для измерения температуры путем преобразования ее в показания или сигнал измерительной информации, являющийся известной функцией температуры. Часть термометра, преобразующая тепловую энергию в другой вид энергии, называется чувствительным элементом.

Известные приборы для контроля температуры можно разделить на две большие группы: контактные и бесконтактные. Первые отличаются тем, что у них чувствительный элемент термометра приводится в непосредственное соприкосновение с измеряемой средой.

Таблица 2.2 – Пределы применения термометров для измерения температуры в промышленных условиях Тепловое расширение Жидкостные стеклянные термометры -200 Изменение давления Манометрические термометры -200 электрического сопротивления (металлические) Термоэлектрический Стандартные термоэлектрические -200 эффект (т.э.д.с.) термометры 2.2 Термометры расширения Стеклянные жидкостные термометры. Для измерения температуры в лабораторных условиях и промышленной практике широко применяют стеклянные жидкостные термометры, являющиеся самым старым видом термометров. Их характеризуют достаточно высокая точность, невысокая стоимость, простота эксплуатации.

Принцип действия термометра основан на зависимости между температурой и объемом термометрической жидкости, заключенной в стеклянной оболочке. Зафиксировать изменение положения верхней границы столбика жидкости возможно вследствие разности температурных коэффициентов объемного расширения жидкости и стекла. Из-за увеличения объема резервуара видимое изменение объема жидкости ниже действительного.

Наиболее широко в качестве термометрической жидкости используется ртуть. Применяют также органические заполнители: толуол, этиловый спирт, керосин, пентан и др.

Наибольшее распространение получили термометры с ртутным заполнением, так как ртуть находится в жидком состоянии в широком диапазоне температур (верхний предел может быть доведен до 1200 °С с помощью увеличения давления в капилляре и применения для его изготовления плавленого кварца); не смачивает стекла, что позволяет использовать капилляры с небольшим диаметром канала (до 0,1 мм) и обеспечить высокую точность измерения (ртутные образцовые термометры 1-го разряда имеют доверительную погрешность 2 = 0,0020,2 °С). Ртуть имеет в 6-8 раз меньший, температурный коэффициент объемного расширения, чем другие заполнители. Это снижает чувствительность ртутных термометров. Однако для термометров, градуированных при неполном погружении, погрешности из-за выступающего столбика будут в 6-8 раз меньше, чем у нертутных (при прочих равных условиях измерения).

Органические заполнители характеризуются более низкой температурой применения, меньшей стоимостью и вредностью в эксплуатации и производстве.

Вследствие смачивания стекла термометры с органическими термометрическими жидкостями имеют меньшую точность отсчета.

Стеклянные жидкостные термометры конструктивно делятся на два основных типа: палочные и со вложенной шкалой.

Шкала у палочных термометров непосредственно на толстостенном капилляре, а у второго типа устройств – на прямоугольной стеклянной пластинке молочного цвета, находящейся сзади капилляра. Несмотря на большую инерционность, термометры со вложенной шкалой получили широкое распространение, так как более удобны для применения.

Стеклянные термометры в зависимости от назначения и области использования подразделяются на: образцовые, лабораторные, технические, бытовые, метеорологические, термометры для сельского хозяйства. Лабораторные термометры обеспечивают контроль в интервале температур 0-500 °С, серый разбит на 4 поддиапазона, что позволяет получать погрешность измерений (с учетом введения поправок), не превышающую ±0,01 0С (0-60 °С), ±0,02 0С (55-155 0С), ±0,05 0С (140-300 0С) и ±0,1 0С (300-500 0С). I качестве технических термометров применяют только термометры со вложенной ой, которые имеют две модификации: прямые и угловые.

Таблица 2.3 - Параметры термометрических веществ для стеклянных термометров Термометрическая Возможные пределы Средний температурный коэффициент Имеется значительное количество модификаций термометров в зависимости от предела измерения, длины нижней (от 66 до 1043 мм) и верхней частей (160 или 240 мм). Допускаемая погрешность равна цене деления технического термометра.

При постоянной эксплуатации в различных точках металлургических агрегатов термометры устанавливаются в специальных металлических защитных оправах.

Для обеспечения задач позиционного регулирования и сигнализации температуры в лабораторных и промышленных установках разработаны специальные электроконтактные технические термометры двух типов: 1) с постоянными впаянными контактами, обеспечивающие замыкание и размыкание электрических цепей при одной, двух или трех заранее заданных температурах; 2) с одним подвижным контактом (перемещается внутри капилляра с помощью магнита) и вторым неподвижным контактом, впаянным в капилляр, что обеспечивает замыкание и размыкание электрической цепи между контактами при любом значении выбранной шкалы термометра. Перемещающаяся в капилляре ртуть обеспечивает размыкание или замыкание цепи между контактами, к которым подводится напряжение постоянного или переменного тока и нагрузка на которых не должна превышать 0,5 мА при напряжении не более 0,3 В.

По методу градуировки и установки при измерении жидкостные термометры подразделяются на два типа: 1) градуируемые и эксплуатируемые при полном погружении, т.е. при погружении термометра в измеряемую среду до отсчитываемого деления шкалы; 2) градуируемые и эксплуатируемые при заданной глубина погружения, т.е. нижняя часть термометра погружается в измеряемую среду до отметки, указанной на корпусе прибора.

В процессе измерения температур стеклянными жидкостными термометрами появляются погрешности, обусловленные рядом причин. Это ошибки, возникающие вследствие дефектов термометра (возгонка термометрической жидкости, разрывы столбика жидкости, смещение шкальной пластинки и т.п.); ошибки, вносимые наблюдателем; ошибки, возникающие при нормальной эксплуатации (погрешность в нанесении отметок шкалы, нелинейная температурная зависимость изменения объемов термометрической жидкости и стеклянной оболочки) и при отклонении условий эксплуатации от нормальных.

а – палочный ; б – технический со вложенной шкалой Рисунок 2.1 – Жидкостные стеклянные термометры Несколько подробнее остановимся на последних. Величину их можно уменьшить введением поправок, учитывающих условия измерения. Рассмотрим случай, когда термометр, градуированный при полном погружении, невозможно погрузить в измеряемую среду (или термостат) до отсчитываемого деления шкалы.

Таким образом, часть столбика термометрической жидкости выступает над уровнем среды и имеет другую температуру. Среднюю температуру выступающего столбика измеряют с помощью небольшого дополнительного палочного термометра, резервуар которого крепится к корпусу основного измерителя в середине столбика и изолируется асбестовым шнуром.

Для исключения погрешности вводят поправку на выступающий столбик t, определяемую по формуле где n – число градусов на выступающем столбике, °С; 0 – коэффициент видимого расширения термометрической жидкости, в стекле, 1/К; t – температура, показываемая термометром, 0С; tв.с. – средняя температура выступающего столбика, Пример. Лабораторный стеклянный ртутный термометр, погруженный в измеряемую среду до отметки 120 0С, показывает температуру 290 °С. Температура выступающего столбика равна 30 0С. Коэффициент видимого объемного расширения ртути в стекле = 0,00016 1/К. Поправка на выступающий столбик составит t n t tв.с. =170 0,00016 (290 - 30)= 7,07 7,0 С. Действительное значение измеренной температуры равно 290 + 7 = 297 0С.

При эксплуатации термометра с заданной глубиной погружения может возникнуть ошибка вследствие того, что температура его выступающей части значительно отличается от температуры t`в при его градуировке (обычно равной 20 °С).

Поправка вычисляется по формуле где m – число градусов, отсчитываемое по термометру, при нормальной глубине погружения, °С; – коэффициент видимого расширения термометрической жидкости в стекле, 1/К.

Поверка жидкостных стеклянных термометров проводится в термостатах с помощью образцовых термометров более высокого класса точности.

Биметаллические и дилатометрические термометры. Твердые тела в различной степени изменяют свои линейные размеры при изменении температуры. Данное свойство положено в основу принципа действия биметаллических и дилатометрических термометров.

Металлы и их сплавы относятся к материалам с высоким температурным коэффициентом линейного расширения. Для латуни он равен (18,3-23,6) 10-6 1/0C, для никелевой стали - 20 10-6 1/°С. В то же время сплав инвар имеет низкий температурный коэффициент линейного расширения (0,9 10-6 1/0С), так же как и плавленый кварц (0,55 10-6 1/°С).

Схема биметаллического термометра, в котором в качестве термочувствительного элемента используется двухслойная пластинка, состоящая из металлов с существенно различными температурными коэффициентами линейного расширения: латуни 1 и инвара 2. При увеличении температуры t свободный конец пластины будет изгибаться в сторону металла с меньшим коэффициентом и по величине этого перемещения S судят о температуре где a - коэффициент удельного изгиба, 1/0С; l - длима термометра, м; толщина термометра, м.

Большие величины перемещений свободного конца биметаллического термометра имеют устройства, в которых чувствительный элемент выполнен в виде спирали: плоской винтовой. Угловое перемещение свободного конца спирали определяется из формулы Схемы, поясняющие принцип действия винтовой спирали и биметаллического термометра. Внутри защитного чехла 1, погруженного в измеряемую среду, расположена винтовая спираль 2, выполненная из двух спаянных между собой металлических полосок, один конец которой неподвижно закрепленного в чехле, а другой (свободный) соединен со штоком 3. Последний обеспечивает, переценив стрелки относительно шкалы 6 в корпусе 4 с защитным стеклом 7.

1 – латунь; 2 – инвар; 3 – неподвижный контакт; 4 – передвижной указатель задатчика; 5 – сигнальная лампа Рисунок 2.2 - Схема устройства биметаллического термометра пружинного типа Рисунок 2.3 - Биметаллический термометр с винтовой спиралью Данный тип устройств часто используется как термореле в системах сигнализации и автоматического регулирования, а также в качестве температурных компенсаторов в Измерительных устройствах, например в пирометрах, манометрических термометрах и т.п. Пределы установки срабатывания биметаллических датчиковреле температуры (-30)(+50)°С, зона нечувствительности 2-6 0С, основная допустимая погрешность ±(1-2,5) С.

Схема чувствительного элемента дилатометрического датчика температуры.

Внутри корпуса чувствительного элемента трубки 6 расположены трубка 1 и стержень 7, выполненный из материала (инвар, кварц) с небольшим температурным коэффициентом линейного расширения по сравнению с аналогичным коэффициентом корпуса 1 (латунь, коррозионностойкая сталь). Стержень 7 через трубку 1 и толкатель 3 с помощью пружины 4 постоянно поджимается к нижнему концу трубки 6. Шарик 2 исключает появление люфтов между стержнем 3 и компенсационной трубкой 1, которая выполнена на того же материала, что и корпус чувствительного элемента 6, и предназначена для исключения температурной погрешности при установке на объектах с различной толщиной тепловой изоляции.

Действие данного устройства основано на изменении разности удлинений чувствительного элемента 6 и стержня 7 пропорционально приращению температуры измеряемой среды Полученное приращение трансформируется в преобразователе 5, усиливается и поступает на регистрирующий прибор (усилительная приставка и прибор на рисунке не показаны).

Изменение длины чувствительного элемента l, а следовательно, и перемещение стержня при изменении температуры намеряемой среды равно где lк, lH – длина чувствительного элемента соответственно при конечной tк и начальной tH температурах, м; ч.э., с - соответственно температурные коэффициенты линейного расширения чувствительного элемента и стержня, 1/°С.

Дилатометрические датчики температуры выпускаются с электрическим и пневматическим выходным дилатометрический сигналом. Диапазон измерений от до 1000 0С, основная допустимая погрешность 1,6-4,0%.

2.3 Манометрические термометры Принцип действия манометрического термометра основан на использовании зависимости между температурой и давлением термометрического вещества (газа, жидкости), заполняющего герметически замкнутую термосистему данного устройства. Принципиальная схема показывающего манометрического термометра приведена на рисунке. Термосистема состоит из термобаллона 1, капилляра 2 и манометрической одно- или многовитковой пружины 3. Капилляр соединяет термобаллон с неподвижным концом манометрической пружины. Подвижный конец пружины запаян и через шарнирное соединение 4, поводок 5, сектор 6 связан со стрелкой прибора 7.

При погружении термобаллона в среду, температура которой контролируется, изменяется давление термометрического вещества в замкнутой термосистеме, т.е. в системе с постоянным объемом. Чувствительный элемент – манометрическая пружина – деформируется, и ее свободный конец перемещается. Данное изменение положения пружины преобразуется в соответствующее перемещение регистрирующей стрелки относительно шкалы прибора. Поперечное сечение манометрической пружины, выполненной из металлической (сталь, латунь, бронза) изогнутой трубки, либо овальное, либо сложной формы с пережатым средним участком и двумя каналами каплевидной формы (что повышает ее механическую прочность) уменьшает внутренний объем и снижает дополнительную температурную погрешность, связанную с изменением температуры окружающей среды. Биметаллическая пружина служит для уменьшения влияния измерения температуры окружающей среды.

Цилиндрический термобаллон изготавливают из коррозионностойкой стали, обеспечивающей возможность контроля температуры химически агрессивной среды. Для защиты от механических повреждений капилляр, выполненный в виде медной или стальной трубки внутренним диаметром 0,35 и наружным 2,5 мм, помещают в защитную металлическую оболочку. Длина капилляра различна и изменяется в зависимости от вида термометра от 0,6 до 40м. Манометрические термометры делятся на газовые, конденсационные и жидкостные. В газовых или жидкостных термометрах вся термосистема заполнена тем или иным веществом, в конденсационных термометрах только термобаллон заполнен низкокипящей жидкостью и ее насыщенными парами, а в остальной части термосистемы находятся либо насыщенные пары данной жидкости, либо специальная жидкость для передачи давления из термобаллона в манометрическую пружину. Отличие приборов конденсационного типа заключается также в значительной нелинейности зависимости давления насыщенного пара от температуры. Поэтому необходимо применение специальных устройств для получения равномерной шкалы термометра. Характер заполнения определяет размеры термобаллона и длину капилляра: они наибольшие у газовых термометров, наименьшие у жидкостных. Значительные габариты термобаллона газовых термометров ограничивают область их применения.

Рисунок 2.5 - Схема показывающего манометрического термометра На показания манометрических термометров большое влияние оказывают внешние условия: изменение температуры окружающего воздуха (дополнительная температурная погрешность), различная высота расположения термобаллона и пружины (гидростатическая погрешность), колебания атмосферного давления (барометрическая погрешность).

Дополнительная температурная погрешность, появляющаяся из-за изменения упругости манометрической пружины, характерна для газовых и конденсационных термометров: при повышении температуры воздуха упругость пружины понижается, что приводит также к изменению температуры термометрической среды в капилляре и пружине и, следовательно, к изменению давления в термосистеме. Этот источник дополнительной температурной погрешности проявляется в газовых и жидкостных манометрических термометрах. Уменьшить данную погрешность можно с помощью специальных компенсаторов (биметаллическая пружина, инварный сердечник), установкой параллельной термосистемы без термобаллона, а также путем применения манометрической пружины специальной формы.

2.4 Электрические термометры сопротивления Общие сведения. В металлургической практике для измерения температур до 650 0С применяют 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, передана не большие расстояния и непосредственно использована в системах автоматического контроля и регулирования.

В качестве материалов для изготовления чувствительных элементов ТС используются чистые металлы: платина, медь, железо, никель и полупроводники, изменение электросопротивления материала при изменении температуры характеризуется температурным коэффициентом сопротивления а (1/°С), который вычисляется по формуле где t - температура материала, 0С; R0 и Rt - электросопротивление соответственно при 0 0С и температуре t, Ом.

Чистые металлы имеют практически линейную зависимость электросопротивления от температуры и положительный температурный коэффициент сопротивления, достигающий 0,004 – 0,006 1/0С, т.е. увеличение температуры на 1 0С приводит к повышению сопротивления приблизительно на 0,4-0,6 % от величины в электросопротивления при 0 0С.

Материал чувствительного элемента ТС должен иметь высокое удельное сопротивление, что обеспечивает небольшие габариты термометра; значительный коэффициент, а для получения высокой чувствительности устройства; хорошую воспроизводимость состава; стойкость к агрессивному воздействию окружающей среды при повышенных температурах; стабильность характеристики во времени; хорошие экономические показатели; линейность характеристики.

Наиболее хорошо указанным требованиям отвечают платина [интервал температур (-260)(+750 0С)] и медь [интервал (-50)(+180) 0С)]. Специальная конструкция платинового термометра сопротивления (ТСП) позволяет, повысить верхний предел измерения до 11000С.

Платина является основным материалом для изготовления ТС. Она характеризуется достаточно высоким удельным сопротивлением ( 0 = 0,098110-6 Омм), устойчива к окислительной среде, имеет стабильную и хорошо воспроизводимую градуировку от партии к партии. К недостаткам следует отнести высокую стоимость, возможность загрязнения и охрупчивания в восстановительной среде и др.

Однако достоинства платины обеспечивают наиболее точные измерения температур с помощью ТСП (классы точности 1 и 2). К достоинствам меди следует отнести низкую стоимость, линейную зависимость сопротивления от температуры, возможность получения тонкой проволоки высокой степени чистоты и в различной изоляции, достаток медных термометров сопротивления (ТСМ) заключается в низком верхнем пределе измерения (180 0С), что вызвано значительном окислением меди при высоких температурах из-за разрушения изоляции (классы точности 2 и 3).

Медь имеет малое удельное сопротивление ( 0 = 0,0155 10-6 Омм).

В диапазоне температур от -50 до +180 0С сопротивление меди находится в линейной зависимости от температуры где R0 и Rt - соответственно сопротивления ТСМ при температурах 0 0С и t, Ом.

Полупроводниковые термометры сопротивления (ТСПП) или терморезисторы имеют значительно больший температурный коэффициент сопротивления (2- %/К) отрицательный у термисторов (2-7 %/К), положительный у термисторов (2- %/К). При очень низких температурах полупроводники обычно изоляторы, при высоких зависимость их сопротивления от температуры может быть выражена в виде экспоненциальной функции где Т2 - измеренная температура, К; Т1 - эталонная температура, например, 273,15 К; RT и RT - значения сопротивления чувствительного элемента ТСПП соответственно при измеренной и эталонной температурах, Ом;

В - постоянный коэффициент, зависящий от материала; В= 12007200 К.

ТСПП получили достаточно широкое распространение в лабораторной и промышленной практике вследствие высокого температурного коэффициента (высокая чувствительность), простоты изготовления, прочности, небольших габаритов (малая инерционность). Их сопротивление велико (от 1 кОм до 1 МОм), что также повышает точность контроля температуры, так как изменением сопротивления клемм и соединительных проводов можно практически пренебречь.

Термисторы состоят главным образом из смесей оксидов металлов: кобальтомарганцевых, медно-марганцевых, медно-кобальто-марганцевых и др. Пределы контролируемых температур: (-200)(+300)0С.

При измерении низких температур вблизи 0 К наиболее часто используются германий и кремний, причем монокристаллический германий, легированный сурьмой, является эталонным ТС и воспроизводит температурную шкалу в диапазоне от 4,2 до 13,81 К.

Термисторы изготавливают из сегнетоэлектрических керамик на основе титанатов, цирконатов свинца, бария, мышьяка и др. Они используются в сравнительно узком интервале температур (от 10 до 200 0С), но диапазон измерения для каждого типа термистора еще уже и составляет только примерно 20 0С, причем в этом интервале сопротивление изменяется на несколько десятков процентов. Использование термисторов в настоящее время ограничивается системами защиты от перегрева (например, электрических двигателей, подшипников и т.п.).

ТСПП имеют также существенные недостатки, которые ограничивают их применение в металлургии: 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.

При измерении температуры с помощью ТС необходимо учитывать, что чувствительный элемент у металлических ТС имеет большую длину и полученный результат характеризует среднюю температуру измеряемой среды в данном районе.

Другим источником методической погрешности является наличие тока, протекающего через чувствительный элемент ТС и вызывающего его нагрев, что может исказить картину теплообмена в месте измерения. При температуре тающего льда величина этой погрешности для ТСП и ТСМ не превышает соответственно 0,2 и 0,4 0С (рассеиваемая мощность ТС < 10 мВт).

Типы и конструкции ТС. Для решения различных задач ТС делят на эталонные (ТСП), образцовые (ТСП) и рабочие, которые в свою очередь подразделяются на лабораторные (ТСП, ТСМ) и технические (ТСП, ТСМ, ТСПП).

Эталонные ТС предназначены для воспроизведения и передачи шкалы МПШТ в интервале 13,81-903,89 К [(-259,34)(+630,74) 0С]. Для передачи температурной шкалы измерительным приборам низшего класса точности используются платиновые ТС 1-го и 2-го разрядов. В качестве эталонных, образцовых и лабораторных приборов повышенной точности в СССР используются платиновые ТС конструкции П.Г. Стрелкова.

Технические ТС в зависимости от назначения и конструкции делятся на: погружаемые, поверхностные и комнатные (для помещений); защищенные и не защищенные от действия агрессивной среды; стационарные и переносные; термометры классов точности 1, 2 и 3 и т.д. По тепловой инерции различают три группы: с большой, средней и малой инерционностью. Для последней группы постоянная времени не превышает 9 с.

Приборостроительная промышленность выпускает унифицированные конструкции ТС погружного типа, которые используются для измерения температур жидких и газообразных сред. Конструкция промышленного ТС с неподвижным штуцером, долечивающим его установку в строго заданном положении.

Подвижный штуцер позволяет регулировать глубину погружения термометра при измерении температуры сред с условным давлением р у = 0,4 МПа. При измерении температуры сред с высоким давлением на чехол ТС устанавливается специальная защитная (монтажная) I гильза. Длина монтажной части технических ТС лежит в интервале от 60 до 3150 мм. Материал защитного чехла: латунь, алюминий, сталь (08X13,12Х18Н10Т).

Чувствительный элемент ТС выполнен из металлической тонкой проволоки с безындукционной (бифилярной) каркасной или бескаркасной намоткой. В качестве каркаса для платиновых термометров применяют плавленый кварц (эталонные, образцовые и технические) и керамику на основе оксида алюминия (технические).

Каркас ТСМ изготавливается из пластмассы или металла.

1 - чувствительный элемент; 2 - штуцер с резьбой; 3 – защитный чехол; 4 – соединительные провода; 5 - клеммная колодка; 6 - фарфоровые бусы; 7 – корпус головки; – крышка; 9 - сальниковый ввод; 10 – монтажный кабель; 11 – герметик; 12 – передвижной штуцер Рисунок 2.6 - Унифицированный термометр сопротивления Чувствительный элемент, состоящий из: четырех (или двух) последовательно соединенных платиновых спиралей 2, расположенных в каналах керамического каркаса 3. К верхним концам спиралей припаяны выводы 1, выполненные либо из платины, либо из сплава иридия с родием. Пространство между спиралями и каркасом заполнено порошком оксида алюминия 4, крепление спиралей и выводов в каркасе производится глазурью 5. Данный чувствительный элемент имеет ряд достоинств:

герметичность, малую степень загрязнения платины глазурью, незначительные механические напряжения, высокую механическую прочность, небольшие габариты (диаметр 4,2 мм, длину 46 и 61 мм).

Чувствительный элемент 1 медного ТС, выполненный на пластмассовом каркасе медной изолированной проволокой 2, Герметизация безындукционной намотки обеспечивается нанесением на поверхность слоя лака 3. Выводы 4 выполнены из меди. Снаружи чувствительный элемент защищен металлическим чехлом.

Чувствительный элемент 1 медного ТС, выполненный бескаркасной намоткой изолированной проволокой, показан на рисунке в. Снаружи он покрыт фторопластовой пленкой 2 и имеет медные выводы 3. Чувствительный элемент помещают в латунную трубку 5, засыпают керамическим порошком 4 и герметизируют. Такая конструкция обеспечивает хорошую виброустойчивость ТС. Диаметр медного чувствительного элемента 5 мм, длина 20,50 или 80 мм.

а - с керамическим каркасом; б - с каркасом из пластмассы; в - бескаркасный Рисунок 2.7 - Чувствительные элементы металлических термометров сопротивления Платиновые ТС изготавливаются из проволоки диаметром 0,03-0,1 мм (низкоомные 0,5 мм), медные - 0,05-0,1 мм. Безындукционная намотка обеспечивает возможность включать ТС в схему измерения с приборами, питаемыми как постоянным, так и переменным током.

Метрологические требования, предъявляемые к градуировочным характеристикам металлических ТС, приведены в таблице 2.4.

Таблица 2.4 – Требования к градуировочным характеристикам металлических ТС Тип ТС Градуи- Интервал Номиналь Класс Значения Допустимое ровка измеряемых -ное сопро- точности отношений отклонение Взаимозаменяемость ТС достигается при помощи стандартных градуировок, в которой оговаривается сопротивление R0 при 0 0С, отношение R100/R0, а также допустимые значения их отклонений при переходе от одного термометра к другому (в пределах данного типа и класса). Металлические ТС используют для измерения температуры воздуха, газообразного и жидкого топлива, кислорода, охлаждающей воды, пара, низкотемпературных продуктов сгорания в различных металлургических агрегатах.

Значительно реже в металлургической практике встречаются полупроводниковые термометры сопротивления. 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.

Чувствительные элементы ТСПП выполняются в виде небольших цилиндриков, шайбочек, пластинок или бусинок.

а - стержневой; б - бусинковый; в - пластинчатый; г – дисковый; 1 – чувствительный Рисунок 2.8 - Конструктивное исполнение ТСПП прямого подогрева Сопротивление поверяемого ТС измеряется компенсационным методом. Термометр сопротивления Rt включен последовательно с образцовой катушкой сопротивления Rк (класс 0,01; 0,02). С помощью батареи Б и регулировочного сопротивления Rт устанавливается ток I= 5 мА, проходящий через ТС.

Рисунок 2.9 - Компенсационная схема измерения сопротивления ТС Падения напряжения на ТС Ut=IRt на катушке Uk=IRk с помощью переключателя П последовательно подаются на низкоомный лабораторный потенциометр ПП класса 0,01 или 0,02. Искомую величину сопротивления Rt вычисляют по формуле С помощью мегомметра проверяется электрическая изоляция ТС, которая должна выдерживать в течение 1 мин напряжение 500 В переменного тока.

2.5 Мостовые схемы измерения сопротивления термометров Для измерения сопротивления используют четырехплечие уравновешенные (ручные или автоматические) и неуравновешенные мосты. Уравновешенный мост, используется для определения величины сопротивления при градуировке ТС и при измерениях температуры в лабораторных условиях. Термометр сопротивления Rt вместе с соединительными линиями 2R1 образует одно плечо моста, известные сопротивления R1, R2, R3 - остальные, причем последнее является переменным сравнительным плечом. В диагональ ВД включена батарея питания Б, а диагональ АС гальванометр G, служащий нуль-индикатором.

Рисунок 2.10 - Схема уравновешенного моста для измерения сопротивления Равновесия схемы, т.е. состояния, при котором ток в гальванометре отсутствует, а потенциалы точек А и С равны, добиваются изменением величины R3. Этому состоянию соответствует равенство R1/R3 = R2/(Rt+2 R1), откуда Сопротивления R1,R2 и Rл постоянны, поэтому в общем виде уравнение можно записать Нулевой метод измерения характеризуется высокой точностью, так как исключается влияние окружающей температуры, магнитных полей и изменения напряжения батареи питания Б. Однако значительная погрешность может возникать при изменении сопротивления соединительных проводов Rл, что вызывается значительными сезонными и суточными колебаниями температуры в местах нахождения кабеля, соединяющего ТС и измерительный мост.

Трехпроводная схема включения ТС, в которой одна вершина диагонали питания (В) перенесена непосредственно к термометру. Для равновесия можно записать Сопротивления проводов R л оказываются включнными в различные плечи моста, поэтому изменение их величины R Л практически взаимно компенсируется (полная компенсация при R1=R2).

При втором методе включения ТС погрешность практически на порядок ниже, но в 1,5 раза увеличивается расход соединительных проводов.

Неуравновешенный мост исключает необходимость выполнения ручных операций по изменению величины R3. В нем вместо нуль-прибора G в диагональ моста АС устанавливается миллиамперметр. При постоянном напряжении питания и постоянных сопротивлениях R1, R2, R3 через этот прибор будет протекать ток, величина которого зависит (нелинейно) от изменения температуры ограничено. Они в основном применяются для преобразования величины сопротивления термометра в напряжение.

Автоматические уравновешенные мосты широко используются для измерения и регистрации температуры в комплекте с ТС. Их характеризуют высокая точность, возможность использования в системах автоматического регулирования. Они выпускаются различных модификаций: одно- и многоточечные, с дисковой или ленточной диаграммой, с сигнальными устройствами и т.п.

Принципиальная схема автоматического уравновешенного моста, который так же, как рассмотренный выше ручной равновесный мост, реализует нулевой метод измерения сопротивления.

Термометр сопротивления Rt подключен к прибору по трехпроводной схеме.

В измерительную схему моста входят уравновешивающий реохорд Rр _ с шунтирующим его резистором Rш (ограничивает ток, текущий по реохорду); резисторы Rи и Rк, определяющие начало и конец шкалы; спирали rи и rк, обеспечивающие точную подгонку диапазона шкалы и являющиеся частью резисторов Rн и Rк; резисторы R1, R2 и R3, образующие постоянные плечи моста; ТС Rt являющийся ременным плечом; балластный резистор Rб, который ограничивает в мостовой схеме и обеспечивает минимальный нагрев ТС; подгоночные резисторы Rп1 и Rп2, обеспечивающие сопротивление подводящей линии Rл = 5 Ом (каждый из двух соединительных проводов имеет сопротивление 2,5 Ом).

Рисунок 2.11– Принципиальная схема автоматического уравновешенного моста Электронный усилитель переменного тока ЭУ включен в диагональ ab и обеспечивает усиление разбаланса, возникающего в измерительной схеме при изменении сопротивления TC Rt.Усиленный сигнал поступает на вход реверсивного двигателя РД, который вращением вала заставляет перемещаться подвижную каретку регистрирующего устройства и движок реохорда Rр. Вращение вала происходит до тех пор, пока не наступит новое равновесие схемы; напряжение разбаланса станет равным 0, сигнал на входе РД также исчезнет, и двигатель остановится.

Питание измерительной системы моста производится через диагональ dc с помощью силового трансформатора ЭУ переменным током напряжением 6,3 В и частотой 50 Гц. Синхронный двигатель СД перемещает диаграммную бумагу относительно пера или печатающего устройства с постоянной скоростью.

Логометры часто используют в комплексе с ТС. Это приборы магнитоэлектрической системы, основанные на сравнении токов в цепях термометра и постоянного сопротивления. Между полюсами постоянного магнита NS расположены под углом 15-200 две жестко связанные между собой рамки Rр и R`р. Они изготовлены из тонкой изолированной медной проволоки и могут поворачиваться в двух керновых опорах, перемещаясь в воздушном зазоре между наконечниками магнита и неподвижным сердечником С. Вместе с рамками относительно шкалы двигается и стрелка. Зазор между полюсами магнита и сердечником имеет переменную ширину и убывает от центра полюсных наконечников к их краям, что обеспечивает соответствующее возрастание магнитной индукции.

Питание рамок осуществляется от одного источника - батареи Б, причем ток подводится к ним с помощью "безмоментных" вводов (золотые ленточки) или с использованием маломоментных спиральных пружинок, имеющих незначительный собственный противодействующий момент. Из схемы следует, что имеются две цепи: цепь рамки Rр, которая включает постоянное сопротивление R1, и цепь рамки R`р, состоящая из постоянного сопротивления R2 и переменного сопротивления ТС Rt. При протекании через рамки соответствующих токов I1 и I1` создаются магнитоэлектрические моменты М1 и М1', направленные навстречу друг другу и равные где В1 и B’1 - магнитная индукция в местах расположения рамок, Тл; S1 и S’1площадь активной части рамок, м2; n1 и n’2 - число витков рамок.

В том случае, когда R1 + Rр= R2 + R'2+ Rt силы токов, протекающих через рамки, равны (I1=I`1), и магнитные моменты, вращающие рамки, будут равны.

а – принципиальная схема устройства; б – электрическая схема Рисунок 2.12 - Магнитоэлектрический логометр Пусть температура среды, в которую погружен металлический ТС, возрастет.

Это приведет к увеличению сопротивления Rt и, следовательно, к уменьшению тока I`1 и вращающего момента M`1.Подвижная система под действием большего момента М1 начнет поворачиваться по часовой стрелке, что будет приводить к возрастанию M`1 и уменьшению М1, так как рамка R`р перемещается в область больших значений, а рамка Rр - в область меньших значений магнитной индукции. В определенном положении вращающие моменты вновь станут равными, что при S1n1 =S`1n` соответствует Для жестко скрепленных рамок отношение индукций зависит от угла поворота подвижной системы. Следовательно, I1 / I`1 = f, а или, учитывая, что R1, R2, Rр и R`р- практически постоянные величины, Для повышения чувствительности логометра измерительная схема прибора выполнена по симметричной мостовой схеме. В этом случае сопротивления симметричных плеч моста равны между собой R1= R3, R2 = Rt причем значение R2 выбирается равным сопротивлению ТС, соответствующему среднему значению градуировочной шкалы. При таком включении с изменением величины Rt происходит одновременное противоположное изменение токов в обеих рамках Rр и R`р, что и обеспечивает более высокую чувствительность, чем у приборов, выполненных по несимметричной схеме включения., Промышленность выпускает показывающие, самопишущие (до 12 точек) логометры, переносные и щитового монтажа, которые могут.иметь специальные устройства для регулирования и сигнализации. Класс точности приборов 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; шкала градуируется в градусах Цельсия.

На точность измерения температуры логометром в комплекте с ТС влияет изменение сопротивления соединительных проводов, а также наличие внешних магнитных полей. Отклонение напряжения питания в пределах ±20 % от номинального значения (4В) практически не влияет на угол поворота подвижной системы и не вносит погрешностей в измерения.

Поверка автоматических мостов и логометров осуществляется с помощью образцового магазина сопротивлений с наименьшим делением 0,01 Ом, который подключается на вход прибора вместо ТС. Согласно градуировочной характеристике, каждому значению шкалы прибора соответствует определенное сопротивление.

Изменяя сопротивление магазина, стрелку прибора точно устанавливают на цифровой отметке шкалы. Разность между стандартным значением и показанием образцового магазина является погрешностью прибора.

При поверке логометра сопротивление каждой из уравнительных катушек берется равным половине значения сопротивления линии, указанного на шкале. При поверке моста сопротивление каждой линии от магазина сопротивлений до прибора должно быть равно 2,5 Ом.

2.6 Термоэлектрические термометры Общие положения. Для измерения температуры в металлургии наиболее широкое распространение получили термоэлектрические термометры, работающие в интервале температур от -200 до 2500 0С и выше. Данный тип устройств характеризуют 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 электродвижущей силы (э.д.с.) в проводнике, концы которого имеют различную температуру. В зависимости от величины перепада температур и природы проводника (состав, физическое состояние) величина э.д.с. колеблется в значительных пределах.

Для того, чтобы измерить возникшую э.д.с, ее сравнивают с э.д.с. другого проводника, образующего с первым термоэлектрическую пару АВ, в цепи которой течет ток.

Результирующая термоэлектродвижущая сила (т.э.д.с.) цепи, состоящей из двух разных проводников А и В (однородных по длине) равна где eAB t2 и eAB t1 - разности потенциалов проводников А и В соответственно при температурах t2 и t1, мВ.

Т.э.д.с. данной пары зависит только от температур t1 и t2 и не зависит от размеров термоэлектродов (длины, диаметра), величин теплопроводности и удельного электросопротивления. При отсутствии перепада температур, т.е. t1 = t2, т.э.д.с. каждого проводника равна 0 и результирующая т.э.д.с. EAB t2, t1 0.

По этой причине включение в цепь третьего проводника С, имеющего одинаковую температуру концов, в один из спаев или в разрыв одного термоэлектрода не изменяет т.э.д.с. термопары, так как собственная э.д.с. проводника равна нулю.

Для получения зависимости т.э.д.с. только от одной температуры t2 необходимо температуру t1 поддерживать на постоянном уровне, обычно при 0 или 20 0С.

Спай, помещаемый в измеряемую среду, называют горячим или рабочим концом термопары; спай, температуру которого поддерживают постоянной, холодным или свободным концом.

Для измерения возникающей т.э.д.с. в контур термопары в холодный спай или в разрыв одного из термоэлектродов с помощью проводов С включают измерительный прибор ИП. В первом случае в схеме три спая: горячий 1 и два холодных и 3, которые должны находиться при постоянной температуре. Во второй схеме включения имеются четыре спая: горячий 1, холодный 2 и нейтральные 3 и 4, причем температура последних t3 должна быть одинаковой.

а - к свободным концам термопары; б - в разрыв термоэлектрода Рисунок 2.14 - Схемы включения измерительного прибора в цепь термопары Необходимо еще раз подчеркнуть, что для правильного включения ИП температуры в обоих местах присоединения третьего, проводника должны быть одинаковыми, что исключает образование дополнительных "паразитных" термопар, т.э.д.с. которых искажала бы сигнал основной термопары.

Для увеличения чувствительности термоэлектрического метода измерения температуры в ряде случаев применяют термобатарею: несколько последовательно включенных термопар, рабочие концы которых находятся при температуре t2, а свободные - при известной и постоянной температуре t1. При параллельном включении происходит усреднение сигнала т.э.д.с.

Для контроля разности температур двух объектов или различных точек одного объекта используется дифференциальная термопара, у которой одноименные электроды А включены навстречу друг другу, а к другим В подключен ИП. Рабочие спаи имеют разные температуры, а свободные концы - одинаковую.

Требования к материалу термоэлектродов. Термопара может быть получена путем комбинации бесчисленного множества различных материалов: чистых металлов, их сплавов, полупроводниковых и тугоплавких соединений. Однако использование большинства из них в термоэлектрических термометрах широкого применения невозможно в силу того, что они не удовлетворяют ряду требований, предъявляемых к термоэлектродным материалам: высокое значение развиваемой т.э.д.с;

стабильность характеристики в течение значительного периода времени и высоких температур; воспроизводимость и линейная зависимость т.э.д.с. от температуры;

однородность термоэлектрических свойств по длине проводника; легкость технологической обработки и получения сплава одинакового состава, хорошие экономические показатели (низкая стоимость, недефицитность).

Большое значение развиваемой т.э.д.с. определяет высокое значение чувствительности устройства: отношения Е/t, т.е. отношения приращения т.э.д.с. Е к величине изменения температуры t, вызвавшее данное приращение сигнала. Данный показатель для технических термоэлектрических термометров находится в пределах 0,01-0,06 мВ/0С. Чем больше это значение, тем менее чувствительный, но более дешевый и надежный вторичный прибор можно использовать в комплекте с термопарой.

Выбор материалов термоэлектродов в значительной степени определяется уровнем температуры и агрессивным воздействием измеряемой среды. Платина и ее сплавы с родием хорошо работают в окислительной и нейтральной средах, вольфрам, молибден, рений и их сплавы - в вакууме, нейтральной и восстановительной средах. Науглероживание проволоки искажает термоэлектрическую характеристику платины и приводит к погрешностям в измерении. Значительный опыт эксплуатации различных термопар привел к тому, что в настоящее время количество применяемых в технике измерения материалов невелико.

Устройство термоэлектрических термометров. Термоэлектрический термометр (ТТ) - это измерительный преобразователь, чувствительный элемент которого (термопара) расположен в специальной защитной арматуре, обеспечивающей защиту термоэлектродов от механических повреждений и воздействия измеряемой среды. 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.

Рисунок 2.15 – Конструкция технического термоэлектрического термометра Специальная замазка 8 герметизирует внутреннее пространство защитного чехла термометра, который выполняется из газонепроницаемых материалов, выдерживающих высокие температуры и агрессивное воздействие среды. При температурах до 1000 °С применяют металлические чехлы из углеродистой или коррозионностойкой стали, при более высоких температурах - керамические чехлы: фарфоровые, карбофраксовые, алундовые, из диборида и т.п.

В качестве термоэлектродов используется проволока диаметром 0,5 мм (благородные металлы) и до 3 мм (неблагородные металлы). Спай 7 на рабочем конце термопары образуется сваркой, пайкой или скручиванием. Последний способ используется для вольфрам-рениевых и вольфраммолибденовых термопар.

Конструкция технического ТТ предусматривает возможность в процессе эксплуатации извлекать из защитной арматуры термоэлектроды в сборе для проведения поверки или замены. Головка снабжена уплотнением, исключающим попадание пыли и влаги во внутреннюю полость устройства.

Термоэлектрические термометры выпускают двух видов: погружаемые и поверхностные. У последних рабочий спай приводится в непосредственный контакт с измеряемой поверхностью. Приборостроительная промышленность изготавливает устройства различных модификаций, отличающихся: по значению 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.

Конструктивное оформление ТТ весьма разнообразно, что позволяет их применять в различных условиях. Имеется также унифицированная арматура, которая обеспечивает взаимозаменяемость ряда моделей термоэлектрических термометров с термометрами сопротивления. Каждая модель изготавливается с различной длиной погружаемой (монтажной) части ТТ, которая изменяется от 10 до 3150 мм. Длина монтажной части термометров, выпускаемых без защитной арматуры (гибкие ТТ), может достигать 10000 мм.

Перспективной конструкцией гибких ТТ являются кабельные или бронированные оболочковые термопары Рисунок 2.16 - Конструкция кабельного термоэлектрического термометра с изолированным (а) и открытым (б) спаем Методом сухого прессования изготавливают двух- или четырехканальные электроизоляционные бусы 1, в которых размещают хромель-копелевые или хромель-алюмелевые электроды 2 диаметром 0,2-1,2 мм. Изолированная термопара затягивается в металлическую трубку 3 и волочением получают кабельный ТТ. Максимальная длина 100 м, диаметр от 1,0 до 7,2 мм.

Стандартные и нестандартные термоэлектрические термометры. Для измерений в металлургии наиболее широко применяют ТТ со стандартной градуировкой:

платинородий-платина (ТПП), платино-родий-платинородий (ТПР), хромельалюмель (ТХА), хромель-копель (ТХК), вольфрамрений-вольфрамрений (ТВР). В ряде случаев используют также ТТ с нестандартной градуировкой: медьконстантан, вольфрам-молибден (ТВМ) и др. В таблице приведены некоторые характеристики, а на рисунке - градуировочные кривые ряда термопар.

Наиболее точным является платинородий-платиновый ТТ, который используется также в качестве рабочих эталонов и образцовых термометров 1-го, 2-го и 3-го разрядов. Однако вследствие высокой стоимости и небольшой величины развиваемой т.э.д.с. ТТ платиновой группы применяются для измерений высоких температур, причем и здесь наблюдается тенденция к их замене термометрами типа ТВР и ТВМ (например, при измерении температуры жидкой стали).

При низких температурах (до 600 0С) наиболее предпочтительным является ТТ типа ТХК. В интервале температур 600-1000 °С обычно применяется ТТ типа ТХА. Они развивают значительную т.э.д.с. (особенно ТХК), дешевы, хорошо противостоят окислению в воздушной среде и являются самыми распространенными.

Вольфрам-рениевый ТТ позволяет измерять температуры до 2000– 2500 °С в вакууме, нейтральной и восстановительной средах. Данный термометр имеет три стандартные характеристики, что позволяет получить неплохие точностные показатели. Без возобновления рабочего спая можно производить до 40 кратковременных погружений в расплав жидкой стали. Изменение градуировочной характеристики при этом не превышает ±4 0С.

Вольфраммолибденовый термометр ТВМ работает в вакууме, восстановительных и нейтральных средах и применяется для измерения температуры расплавленной стали в печах и ковшах. Недостатками являются небольшая т.э.д.с, нестандартность характеристики от партии к партии, а также наличие инверсии градуировочной кривой. Вольфраммолибденовый термометр развивает значительную т.э.д.с.

(одного знака), градуировочная характеристика его практически линейна; позволяет производить длительные измерения в вакууме (на воздухе только кратковременное применение), но рабочий спай - выдерживает без разрушений только 3-4 погружения в высокотемпературный расплав; градуировочная характеристика также нестандартизована. В ряде случаев, особенно при высокотемпературных исследованиях, используются термоэлектрические термометры из тугоплавких, соединений, таких как борид циркония, карбид титана, графит, дисилицид вольфрама и т.п.

В условиях длительной эксплуатации при высоких температурах и агрессивном воздействии сред возникает нестабильность градуировочной характеристики, которая является следствием ряда причин: загрязнения материалов термоэлектродов примесями защитных чехлов, керамических изоляторов и атмосферы печи; испарения одного из компонентов сплава; взаимной диффузии через спай. Величина отклонения может быть значительной и резко увеличивается с ростом температуры и длительности эксплуатации. Указанное обстоятельство необходимо учитывать при оценке точности измерения температуры в производственных условиях.

Рисунок 2.17 – Градуировочные характеристики термопар Поправка на температуру свободных концов ТТ. Т.э.д.с, развиваемая данным ТТ, зависит от перепада температур между рабочим спаем и свободными концами, которые в технических термометрах отстоят друг от друга на расстоянии не более 2м. Таким образом, температура свободных концов, расположенных в головке ТТ, может изменятся в пределах 10-80 °С вследствие суточных и сезонных колебаний температуры окружающей среды, а также тепловых процессов, проходящих в металлургических агрегатах.

Повышение температуры свободных концов ТТ приводит к уменьшению перепада температур, снижению т.э.д.с. термопары и появлению погрешности измерения, которую исключают введением соответствующей поправки. Пусть при неизменной температуре рабочего спая t2 температура свободных концов t1 (принимаемая для стандартных градуировок 0 °С) увеличилась и стала равной t’1. Определим разность между двумя значениями т.э.д.с, соответствующими двум перепадам температур: ЕАВ(t2,t1)-EAB(t2, t’1) =еАВ(t2) - еAB(t1) - еАВ(t2) + eАВ(t’1). Затем после сокращения еАВ(t2) получим: EAB(t2, t1) - EAB(t2, t1) = eAB(t’1) - еАВ(t1) = EAB(t’1,t1). Преобразуя данное выражение, получим уравнение из которого следует, что увеличение температуры свободных концов уменьшает сигнал термопары на величину т.э.д.с, развиваемую аналогичной термопарой, имеющей температуры рабочего спая и свободных концов, соответственно, t’1 и t1.

Если t’1< t1 то поправка ЕАВ(t’1, t1) имеет отрицательный знак.

Пример. Термоэлектрический термометр ТХА измеряет температуру в печи t2, в комплекте с потенциометром. При градуировке ТХА температура свободных концов принималась t1= 0 0С, в условиях измерения она составила t’1= 50 0С. Сигнал, измеренный потенциометром, ЕАВ(t2,50)=40,98 мВ, что соответствует температуре 993 0С. Величина поправки может быть определена либо по градуировочной кривой, либо по таблице: ЕАВ(50;0)=2,02 мВ. На основании уравнения запишем:

EAB(t2;0)=EАВ(t2;50)+ ЕАВ(50; 0)=40,98+2,02=43,00 мВ, что соответствует температуре рабочего спая t2= 1044 0С.

Для исключения влияния изменения температуры свободных концов ТТ в технике измерения пользуются двумя способами: 1) эвакуацией свободных концов из зоны непосредственного измерения с помощью компенсационных проводов; 2) стабилизацией температуры свободных концов с помощью термостатов.

Наибольшее распространение получил первый способ как более надежный и экономичный. Термостатировать головку термометра очень трудно из-за изменяющихся условий теплообмена с окружающей средой. Поэтому свободные концы термопары стремятся удалить как можно дальше от агрегата в такое место, где можно установить термостат. Однако для благородных термопар удлинение термоэлектродов невозможно, так как это приведет к значительному перерасходу платины. Необходимо отметить, что провода, выводимые из головки ТТ, работают при температурах, не превышающих 80-90 0С. Следовательно, соединительные провода для исключения паразитных т.э.д.с. должны иметь в интервале температур от 0 до 100 0С такие же термоэлектрические характеристики, как и термопара ТТ, что позволяет перенести свободные концы термометра непосредственно к измерительному прибору.