Лекция 3,4
1.3 Измерение температуры
Температура характеризует степень нагретости вещества. Единицей температуры является кельвин К. Единица кельвин равна единице температуры градус Цельсия, 0С. Температуру в градусах Цельсия отсчитывают от точки таяния льда, равной 273,15 К = 0 0С.
Замерить температуру, которая округляется величиной кинетической энергии молекул тела, непосредственно нельзя. Однако ее можно определить по каким либо физическим параметрам тела, которые однозначно изменяются от температуры: объем, длина, электрическое сопротивление, термоЭДС, яркость излучения и др. В 1848 г. Кельвином была разработана унифицированная температурная шкала (не зависящая от термоэлектрических свойств вещества) и названа термодинамической. В основу этой шкалы был взят идеальный цикл Карно, в котором полученная работа зависит только от температур начала и конца процесса. В настоящее время применяется Международная практическая температурная шкала (МПТШ-68), основные постоянные точки которой определяются температурой равновесия между твердой, жидкой и газообразной фазой различных веществ (от – 259,34 0С до +1064,43 0С). В России температурные шкалы нормируются ГОСТом 8.157-75 (от 0,01 до 100000 К).
В различных областях науки и в промышленности применяются десятки способов измерения температуры (ГОСТ 13417-76). В таблице 3-1 приведены наиболее распространенные средства измерения температуры.
Таблица 3-1
Тип средства измерения | Разновидность средства измерения | Пределы применения, 0С | |
нижний | верхний | ||
Термометры расширения | Жидкостные стеклянные | -200 | 600 |
Манометрические | -200 | 1000 | |
Термометры сопротивления | Металлические | -260 | 1100 |
Полупроводниковые | -272 | 600 | |
Термоэлектрические | Термоэлектрические термометры | -200 | 2200 |
Пирометры* | Квазимонохроматические | 700 | 6000 |
Спектрального отношения | 300 | 2800 | |
Полного излучения | -50 | 3500 |
* - принцип действия основан на измерении параметров теплового электромагнитного излучения.
Жидкостные стеклянные термометры основаны на различии коэффициентов теплового расширения термоэлектрического вещества (ртуть, спирт и др.) и оболочки (стекла, кварца).
В манометрических термометрах температура определяется по давлению термометрического вещества, заполняющего замкнутую систему. Замкнутая система состоит из термобаллона, погружаемого в измеряемую среду, чувствительного элемента, измеряющего давление термометрического вещества (инертного газа) и соединительного капилляра диаметром 0,2 – 0,4 мм.
Манометр градуируется не в единицах давления, а в градусах температуры.
Термопреобразователи сопротивления основаны на свойствах электрического сопротивления, способны изменяться с изменением температуры.
У большинства чистых металлов при температуре около 20 0С сопротивление увеличивается на 0,4% на градус температуры. Чувствительные элементы изготавливают либо из медной проволоки (-200 – + 200 0С), либо из платины (-200 – +1100 0С). Сопротивление термопреобразователей при 0 0С: медных – 10,50,100 Ом, платиновых – 1,5,10,50,100,500 Ом.
Полупроводниковые Термопреобразователи сопротивления (терморезисторы) имеют номинальные значения в широких пределах: от 1 Ома до 220 кОм. При повышении температуры сопротивление терморезисторов уменьшается. Они используются чаще всего для целей сигнализации и защиты в интервале температур от -60 до +180 0С.
Чувствительным элементом термоэлектрического преобразователя является термопара, состоящая из двух разнородных металлических проводников, в одном конце сваренных друг с другом. К свободным концам термопары подсоединены провода, подсоединенные к измерительным устройствам. В цепи термопары при изменении температуры возникает электродвижущая сила.
Появление термоЭДС объясняется следующим образом. При соединении разнородных проводников в месте их контакта возникает разность потенциалов. С другой стороны, концентрация свободных электронов в металле зависит от температуры. В результате действия этих факторов при изменении температуры в проводнике возникает диффузия электронов, приводящая к появлению электрического тока.
В большинстве объектов теплоэнергетики измерение температур с помощью термосопротивлений и термопар осуществляется автоматическими самопишущими мостами и потенциометрами, соответственно.
Кроме этого, для измерения температуры с помощью термосопротивления используются логометры и компенсационные схемы.
Измерительный мост представляет собой четыре резистора, которые питаются от источника питания включенного в диагональ а=b (рис 3-1).
Рис. 3-1
В измерительной диагонали с-d включен прибор г. В процессе измерения мост уравновешивается (в диагонали с-d, то к равен нулю) выполнением условия: R1*R3=R2*R4. Для выполнения этого условия одно или несколько плеч (резисторов) моста делаются переменными, а сопротивления их могут быть округлены. Тогда, добившись равновесия и по известным трем сопротивлениям округляется четвертое (терморезистор). По этому принципу работает схема автоматического уравновешенного моста (рис 3-2).
Рис. 3-2
Если потенциалы вершин моста (с и d) не равны, то в измерительной диагонали течет ток, который поступает на вход электронного усилителя (ЭУ). Выходной сигнал ЭУ заставляет вращаться двигатель РД, который перемещает движок реохорда Rp до тех пор пока не наступит равновесие моста. Сопротивление Rp рассчитывается таким образом, что при изменении измеряемой температуры от минимального до максимального значения движок реохорда должен переместиться из одного крайнего положения в другое. В рассмотренной схеме терморезистор подключается тремя проводами (R^). Такое подключение обеспечивает независимость показаний от напряжения питания моста и сопротивления подводящих приборов R^.
Принцип действия логометра основан на измерении отношения токов в двух электрических цепях. В одну из них включен термометр сопротивления, в другую – постоянное сопротивление. На рис. 3-3 представлена схема магнитоэлектрического логометра, который состоит из двух рамок (1,2), жестко скрепленных друг с другом и помещенных в воздушном зазоре постоянного магнита NS.
Обе рамки питаются от одного источника Е и включены таким образом, что их вращающие моменты М1 и М2 направлены на встречу друг другу. Подвижная система будет находиться в равновесии, когда М1=М2 или В1I1=В2I2 (В – магнитная индукция), откуда I1/I2=B2/B1.
Рис. 3-3
Отношение В2/В1 определяется положением рамок, т. е. углом поворота ц:
В2/В1=f(ц).
С другой стороны, обе цепи рамок питаются от одного источника Е и сопротивления R1 и R2 постоянны. Следовательно:
ц=F(Rt)
Для измерения температур термопарами на производствах, как правило, используются автоматические потенциометры, которые работают по принципу компенсационного измерения термоЭДС. Упрощенная схема автоматического потенциометра приведена на рис. 3-4
Рис. 3-4
Работает схема следующим образом. ТермоЭДС Еt автоматически уравновешивается падением напряжения на участке b-e. Если Vb-e≠Et, то на вход электроблока (ЭБ) поступает разность сигналов ДU= Vb-e - Et. ЭБ вырабатывает соответствующий знаку ДU сигнал и двигатель РД перемещает движок реохорда Кр до тех пор пока ДU не станет равным 0. Вместе с перемещением движка реохорда перемещается стрелка прибора по шкале и перо по диаграммной бумаге. Для стабилизации рабочего тока используется стабилизированный источник питания (ИПС).
Для автоматической поправки на температуру свободных концов термопары служит сопротивление fm, выполненное из медной проволоки, остальные – из манганина. Резисторы RH и Rб служат для установления тока I1=3 mA, резистор RH служит для проверки работы ИПС периодическим подключением нормального элемента (с ЭДС=1019 mV) к зажимам 1,2.
Пирометры являются бесконтактными датчиками температуры, на которую они реагируют по тепловому излучению объекта. Условия применения пирометров возникают когда непосредственный контакт термометра с измеряемым телом недопустим или когда измеряемая температура выше 2200 ˚С.
Серийно выпускаемые пирометры применяются для измерения температур от 01.01.01 ˚С.
Работа пирометров основана на следующих принципах. Все тела излучают электромагнитные волны различной длины л. Электромагнитное излучение, возбуждаемое тепловым движением молекул называется тепловым излучением. До 4000 ˚С это излучение есть результат колебательного или вращательного движения молекул. При более высоких температурах излучение вызывается процессами ионизации. Лучи, падающие на поверхность тела могут отразиться, поглотиться или пройти через тело. Отношение отраженного, поглощенного, пропущенного потока к падающему потоку Ф0 называется, соответственно коэффициентами: отражения с=Фотр/Ф0; поглощения б=Фп/Ф0, пропускания ф=Фпр/Ф0. Для монохроматического излучения эти коэффициенты называются, соответственно спектральными коэффициентами: сл, бл, фл.
Между ними существуют соотношения:
с+б+ф=1; сл+бл+фл=1.
Тело, поглощающее все падающее на него излучение называется абсолютно черным телом.
В пирометрии наиболее часта используется связь между температурой и энергетической яркостью тела (В=I/S – сила света/площадь). В зависимости от используемого оптического параметра различают пирометры:
- квазимонохроматические (оптические), в которых используется зависимость спектральной энергетической яркости (Вл=dB/dл, где л – длина световой волны) и температурой.
- полного излучения (радиационные), в которых используется зависимость интегральной энергетической яркости (…….) от температуры.
Реже используется отношение спектральной энергетической яркости для двух фиксированных длин волн (пирометры спектрального отношения).
Существует большое количество типов пирометров, выпускаемых серийно, однако для теплоэнергетических объектов интерес представляют автоматические, которые называются фотоэлектрическими. В этих пирометрах в качестве светочувствительного элемента применяются фотодиоды, фоторезисторы, фотоумножатели. Все фотоэлектрические пирометры можно разделить на 2 группы: в одной фотоэлемент сравнивает световые потоки от двух источников излучения и работает в режиме нуль-органа, в другой группе фотоэлемент вырабатывает сигнал, однозначно зависящий от температуры измеряемого тела. В первом случае устройство прибора оказывается более сложным, но зато его показания не зависят от характеристик фотоэлемента и измерительной схемы. Второй тип прибора более прост и менее точен.
В промышленности нашли применение квазимонохроматические фотоэлектрические пирометры типа ФЭП с верхним пределом 2000 ˚С и погрешностью 1,5 %; пирометры спектрального отношения типа ПИТ с верхним пределом также 2000 ˚С, но погрешностью до 1 %; пирометры полного (частичного) измерения типа АПИР, в качестве чувствительного элемента которых используются термобатареи из нескольких термопар. Для концентрации излучения на спаях термобатареи применяют рефракторные оптические системы. Верхний предел измерения этих пирометров 3500 ˚С.
Существуют также термометры для специальных измерений, в том числе и для энергетических реакторов. Особенности измерения в данных условиях состоят в высокой надежности и стабильности характеристик при длительной работе в диапазоне температур 350 - 1200˚С. Этим требованиям отвечают так называемые кабельные термоэлектрические преобразователи. Конструкция кабельного термопреобразователя представлена на рис. 3-5.
Здесь d=0,5 – 6 мм. – диаметр термометра; L= 1 – 2 м. – длина термометра; 1 – термопара; 2 – минеральная изоляция; 3 – металлическая оболочка. Эти термометры выполняются гибкими, стойкими к тепловым ударам, вибрациям, механическим нагрузкам, что позволяет их прокладку в труднодоступных местах реакторов.
