Материал: 2015 [Тынчеров] Основы автоматизации ТПНП

Принцип действия манометрических термометров основан на изменении давления жидкости, газа или пара, помещенных в замкнутом объеме, при нагревании или охлаждении этих веществ.

Шкала манометра градуируется непосредственно в единицах температуры. Манометрический термометр состоит из термобаллона, гибкого капилляра и собственно манометра. В зависимости от заполняющего вещества манометрические термометры делятся на газовые (термометр ТГП, термометр ТДГ и др.), парожидкостные (термометр ТКП, ТПП) и жидкостные (термометр ТПЖ, ТДЖ и др.). Область измерения температур манометрическими термометрами колеблется в диапазоне от -60 до +600°С. Термобаллон манометрического термометра помещают в измеряемую среду. При нагреве термобаллона внутри замкнутого объема увеличивается давление, которое измеряется манометром. Шкала манометра градуируется в единицах температуры. Капилляр обычно представляет собой латунную трубку с внутренним диаметром в доли миллиметра. Это позволяет удалить манометр от места установки термобаллона на расстояние до 40 м. Капилляр по всей длине защищен оболочкой из стальной ленты. Манометрические термометры могут применяться во взрывоопасных помещениях. При необходимости передачи результатов измерений на расстояние более 40 м манометрические термометры снабжают промежуточными преобразователями с унифицированными выходными пневматическими или электрическими сигналами (речь идет о так называемых дистанционных термометрах).

Недостаток. Наиболее уязвимыми в конструкции манометрических термометров являются места присоединения капилляра к термобаллону и манометру.

Электрические термометры сопротивле-

ния применяются для измерения температур в диапазоне от -200 до +650 градусов Цельсия. Термометр сопротивления ТС

— это термометр, как правило, в металлическом или керамическом корпусе, чувствительный

элемент которого представляет собой резистор, выполненный из металлической проволоки или пленки и имеющий известную зависимость электрического сопротивления от температуры. Самый

популярный тип термометра — платиновый термометр сопротивления, это объясняется высоким температурным коэффициентом платины, ее устойчивостью к окислению и хорошей технологичностью. В качестве рабочих средств измерений применяются также медные и никелевые термометры. Принцип действия термометров сопротивления основан на свойстве проводников изменять электрическое сопротивление в зависимости от температуры.

Термоэлектрические преобразователи (термопары) исполь-

зуются при измерениях температуры от 0 до +1800 градусов Цельсия. Термопара — старейший и до сих пор наиболее распространенный в промышленности температурный датчик. Действие термопары основано на эффекте, который впервые был открыт и описан Томасам Зеебеком в 1822 г. Наиболее правильное определение этого эффекта следующее: a difference of potential will occur if a homogeneous material having mobile charges has a different temperature at each measurement contact. (Если гомогенный материал, обладающий свободными зарядами, имеет разную температуру на измерительных контактах, то между контактами возникает разность потенциалов). Для нас более привычно обычно приводимое в литературе несколько другое определение эффекта Зеебека: возникновение тока в замкнутой цепи из двух разнородных проводников при наличии градиента температур между спаями. Второе определение, очевидно, следует из первого и дает объяснение принципу работы и устройству термопары. Однако именно первое определение дает ключ к пониманию эффекта возникновения ТЭДС не в месте спая, а по всей длине термоэлектрода, что очень важно для понимания ограничений по точности, накладываемых самой природой термоэлектричества. Поскольку генерирование ТЭДС происходит по длине термоэлектрода, то показания термопары зависят от состояния термоэлектродов в зоне максимального температурного градиента. Поэтому поверку термопар следует проводить при той же глубине погружения в среду, что и на рабочем объекте. Учет термоэлектрической неоднородности особенно важен для рабочих термопар из неблагородных металлов.

Достоинства:

— широкий диапазон рабочих температур, это самый высо-

котемпературный из контактных датчиков;

—спай термопары может быть непосредственно заземлен или приведен в прямой контакт с измеряемым объектом;

—простота изготовления, надежность и прочность конструк-

ции.

Недостатки:

—необходимость контроля температуры холодных спаев. В современных конструкциях измерителей на основе термопар используется измерение температуры блока холодных спаев с помощью встроенного термистора или полупроводникового сенсора и автоматическое введение поправки к измеренной ТЭДС;

—возникновение термоэлектрической неоднородности в проводниках и, как следствие, изменение градуировочной характеристики из-за изменения состава сплава в результате коррозии и других химических процессов;

—материал электродов не является химически инертным и при недостаточной герметичности корпуса термопары может подвергаться влиянию агрессивных сред, атмосферы и т. д.;

—на большой длине термопарных и удлинительных проводов может возникать эффект «антенны» для существующих электромагнитных полей;

—зависимость ТЭДС от температуры существенно нелинейна. Это создает трудности при разработке вторичных преобразователей сигнала;

—когда жесткие требования выдвигаются к времени термической инерции термопары и необходимо заземлять рабочий спай, следует обеспечить электрическую изоляцию преобразователя сигнала для устранения опасности возникновения утечек через землю.

Принцип действия термопар основан на свойстве разнородных металлов и сплавов образовывать в спае термоэлектродвижущую силу, зависящую от температуры спая.

Пирометры излучения применяются для измерения температуры в диапазоне от +100 до 2500 градусов Цельсия. Пирометры излучения работают по принципу измерения излучаемой нагретыми телами энергии, изменяющейся в зависимости от температуры этих тел, принцип работы которых основан на измерении суммарной

энергии или состава излучения нагретого тела. В зависимости от способа измерения различают:

радиационные,

оптические,

фотоэлектрические,

цветовые пирометры.

Радиационные пирометры. Эти пирометры измеряют полную (световую и тепловую) энергию излучения тела с помощью телескопа и вторичного прибора. Телескоп радиационного пирометра служит бесконтактным датчиком температуры и состоит из оптической системы, в фокусе которой находятся рабочие спаи термобатареи, т. е. нескольких соединенных последовательно термопар. Термобатарея преобразует излучаемую поверхностью нагретого тела энергию в ТЭДС, которая измеряется вторичным прибором. При наличии во вторичном приборе регулирующего устройства радиационный пирометр позволяет автоматически регулировать температуру в объекте (печь, ванна).

Оптические пирометры. Эти пирометры, называемые также яркостными, используют для периодического контроля температуры в печах и ваннах. С их помощью измеряют температуру по монохроматической яркости (интенсивности излучения) тела в видимой области спектра путем сравнения ее с яркостью нити эталонной пирометрической лампочки. Изменением тока накала нити ее яркость доводится до яркости измеряемого тела, при этом нить исчезает на его фоне, так как тело и нить имеют одинаковую температуру.

Фотоэлектрические пи-

рометры. Фотоэлектрические пирометры служат для измерения температуры нагретых твердых тел в пределах от 600 до 2000°С. Их особенно успешно используют для изме-

рения температуры быстропротекающих процессов.

Принцип действия фотоэлектрического пирометра основан на свойстве фотоэлементов вырабатывать фотоэлектрический ток, пропорциональный интенсивности светового потока, который подается на фотоэлемент от излучателя. Так как интенсивность светового потока в свою очередь пропорциональна измеряемой температуре излучателя, то при помощи фотоэлементов можно измерять температуру нагретых тел.

На рисунке 4.5 приведена принципиальная схема пирометра фотоэлектрического ФЭП-3 (или ФЭП-4). Первичным датчиком в пирометре является визирная головка, в ней расположен фотоэлемент 9.

Головка размещена так, что световой поток от излучателя 3, температура которого подвергается измерению, через линзу объектива 4 направляется на фотоэлемент. На пути светового потока, перед фотоэлементом, устанавливаются кассета 7 и красный светофильтр 8, пропускающий лучи только определенной длины волны. Кассета имеет два отверстия: через одно пропускается от излучателя световой поток, а через другое — от лампы накаливания 2.

Впереди кассеты расположен электромагнитный вибратор 6, который при помощи заслонки попеременно, с частотой питающего его тока 50 Гц, открывает отверстия кассеты, вследствие чего на фотоэлемент попадают попеременно световые потоки то от источника, то от лампы накаливания.

Световой поток от лампы накаливания является эталонным, зависящим по величине только от тока, протекающего по ее нити. Световой поток от излучателя сравнивается со световым потоком от лампы накаливания. В результате этого к электронному усилителю 11 поступает переменное напряжение, величина которого зависит от разности световых потоков лампы накаливания и излучателя.

Это напряжение усиливается сначала в усилителе, расположенном в визирной головке, а затем в силовом блоке 14.

Выходной каскад блока нагружен лампой накаливания, через которую течет постоянный ток, увеличивающийся, если световой поток лампы накаливания меньше светового потока излучателя, и наоборот.

Таким образом, система непрерывно подтягивает значение тока, текущего через лампу, до величины, обеспечивающей равенство световых потоков излучателя и потоков лампы накаливания.