По способу обработки и отображения измеряемой температуры ИПТ подразделяют на:
-первичные (формируют для дистанционной передачи выходной сигнал, соответствующий измеряемой температуре);
-вторичные (получают сигнал от первичных преобразователей, обрабатывают его, накапливают, отображают и передают на более высокий уровень системы).
Современные тенденции развития ИПТ заключаются в их «интеллектуализации» на базе микроэлектронной технологии
имикропроцессорной техники, предполагающей передачу части функций системы управления вторичным преобразователям, а некоторых традиционных функций вторичных приборов
– первичным.
По принципу действия, или способу преобразования температуры в выходной сигнал, первичные ИПТ подразделяют прежде всего на:
-механические;
-электрические.
По выходному сигналу ИПТ подразделяются на:
-аналоговые;
-цифровые.
Основной парк существующих ИПТ относится к аналоговым с унифицированным токовым сигналом 0…5, 0…20 или 4…20 мА. В последнее десятилетие наметился переход к ИПТ с цифровым выходом. Широкое распространение получил цифровой протокол HART. Этот открытый стандартный гибридный протокол двунаправленной связи предусматривает передачу цифровой информации поверх стандартного аналогового сигнала 4…20 мА.
ИПТ различаются, кроме того, по ряду основных технических параметров:
- диапазону измеряемой температуры (выбира-
ется для каждой модели из стандартного ряда температур);
16
-пределу основной допускаемой погрешности
(определяется при нормальной температуре +25оС от верхнего предела измерения и включает в себя, как правило, погрешности от гистерезиса ЧЭ, его линейности и воспроизводимости результатов измерения);
-пределу дополнительной температурной по-
грешности (этот предел задается от изменения температуры относительно нормальной на каждые 10 или 28оС или на весь диапазон работы);
-допустимому рабочему диапазону температур окружающей среды (иногда дополнительно указывают допустимый диапазон температур технологического процесса или измеряемой среды и корпуса прибора);
-динамическому диапазону измерения темпе-
ратур (отношению максимального значения измеряемой температуры к минимальному);
-стабильности метрологических характери-
стик во времени (как процент от верхнего предела диапазона измерения в течение 6 или 12 месяцев);
-устойчивости к вибрации;
-защите от высокочастотных помех;
-климатическому исполнению;
-взрывозащищенному исполнению;
-требованиям к источнику питания.
Кроме указанных выше параметров производитель может оговаривать и другие, характеризующие условия эксплуатации ИПТ.
В связи с развитием измерительной техники наиболее удобными техническими видами термометров стали те, в которых термометрическим признаком является электрический сигнал. Это термометры сопротивления (металлические и полупроводниковые) и термопары. К числу их достоинств следует отнести достаточно высокую степень точности, возможность централизации контроля температуры путем присоединения нескольких преобразователей через переключатель к
17
одному измерительному прибору, возможность автоматической записи измеряемой температуры с помощью самопишущего прибора или контроллера, возможность раздельной градуировки измерительного прибора и преобразователя.
Далее будем рассматривать более подробно термопары и металлические термометры сопротивления как основные датчики температуры для разработок ФГУП «Турбонасос».
В приложении В приведены основные производители средств измерений температуры в России.
На практике применяются и некоторые другие датчики температуры, кроме термопар и термометров сопротивления. В приложении Г приведены сведения о дилатометрических и биметаллических термометрах, в приложении Д - о манометрических термометрах. В приложении Е приведены сведения о сравнительно новых и перспективных датчиках температуры – кварцевывых.
3.1 Термопары, их основные типы и области применения
Согласно [1], в России стандартизованы типы термопар, наиболее распространенные из которых:
-медь – константановая (МКн);
-хромель – копелевая (ХК);
-хромель – константановая (ХКн);
-хромель – алюмелевая (ХА);
-железо – константановая (ЖК);
-нихросил – нисиловая (НН);
-платинородий – платиновые (ПП10, ПП13);
-платинородий – платинородиевая (ПР);
-вольфрамрений – вольфрамрениевые (А-1, А-2, А- 3).
Химический состав электродов и пределы измеряемых температур указанных выше термопар представлены в приложении Ж.
18
Верхний предел рабочего диапазона температур считается максимальной температурой длительного применения (≥ 1000 ч) термопары. За этот срок изменение статической характеристики термопары по отношению к номинальной не должно превышать 1%. Кратковременным применением считается работа термопары длительностью до 100 ч. за это время статическая характеристика термопары также не должна изменяться больше, чем на 1%.
В приложении З приведены рекомендуемые рабочие атмосферы для применения типов термопар, а также их дифференциальная чувствительность в указанных диапазонах температур. Из приложения В видно, что универсальными термопарами являются две: медь – константановая и железо – константановая. Первая не нашла широкого применения в промышленности из-за узкого диапазона температур в области выше 0оС. Она используется, в основном, для измерения низких температур. Термопара типа J (железо – константановая) широко используется на Западе, но в России также не нашла широкого применения, по-видимому, из-за отсутствия производства высокочистого термоэлектродного железа. Кроме того, к недостаткам термопары можно отнести плохую коррозионную стойкость железного электрода и высокую чувствительность к деформации.
3.1.2Термопары платинородий – платина
3.1.2.1 Основными термопарами металлургического производства в диапазоне температур 1100…1600оС являются платинородий – платиновые термопары ТПП10 и ТПР, модификация ТПП13 широко применяется на Западе термопары ТПП10 используются также и в качестве эталонных средств измерения температуры. По совокупности свойств платина и платинородиевые сплавы являются уникальными материалами для термопар. Их основное свойство – хорошее сопротивление газовой коррозии, особенно на воздухе при высоких температурах. Указанное свойство в сочетании с высокой температурой плавления и достаточно большой термоЭДС, хорошей со-
19
вместимостью со многими изолирующими и защитными материалами, технологичностью, а также с хорошей воспроизводимостью метрологических свойств делает их незаменимыми для изготовления электродов термопар, измеряющих высокие температуры в окислительных средах.
3.1.2.2Эти сплавы устойчивы в аргоне и гелии, не растворяют азот и водород и не образуют нитриды и гидриды,
не взаимодействуют с СО и СО2. тем не менее применять платинородий – платиновые термопары в восстановительных атмосферах не рекомендуется, т.к. в этом случае происходит загрязнение платины и платинородия элементами, восстанов-
ленными из защитной или изолирующей керамики (обычно оксидной). До 1200оС платина и ее сплавы с родием практически не взаимодействуют с огнеупорными материалами. При
более высоких температурах контакт с SiO2 ведет к изменению термоЭДС, т.к. в восстановительной атмосфере такой контакт уже при температуре выше 1100оС ведет к разрушению платины из-за образования силицидов Pt5Si2 и легкоплавкой (830оC) эвтектики Pt-Pt5Si2, отлагающейся по границам зерен. Эта реакция возможна только в присутствии углерода и серы и осу-
ществляется путем восстановления SiO2 до Si, который в присутствии СО соединяется с серой, образуя газообразный SiS2, последний реагирует с платиной.
3.1.2.3Таким образом, реакция протекает через газовую фазу и не требует обязательного контакта термоэлек-
тродов с кварцем. SiO2 может быть также восстановлен водородом до SiO2 (газ), который также реагирует с платиной. Вообще, кремний – основная причина охрупчивания и разрушения термопар. Он, как и некоторые другие элементы – Zn, Sn, Sb, Pb, As, Bi, P, B, S, - относится к платиновым ядам. Сера и углерод обычно присутствует в остатках смазочных масел и охлаждающих эмульсий (использованных при изготовлении металлической защитной арматуры чехла). Пары железа, хрома и марганца также представляют опасность для платиновых термоэлектродов, особенно в вакууме. Взаимодействие с па-
20