Измерения на промышленном предприятии: температура

Здарова, мужики. Сегодня для вас пост про измерения температур.

В промышленности существует примерное следующее распределение доли измерений физических величин:

При этом, для понимания абсолютного объёма выполняемых измерений, небольшая атомная электростанция может иметь 3000 точек измерений различных физических величин, а крупное предприятие, например, химпрома может иметь около 20000 точек только для измерения температур.

С учётом массовости температурных измерений, именно с них мы и начнём цикл заметок, посвящённых измерениям в промышленности.

Методы и средства измерений температуры являются предметом изучения термометрии. Начать, конечно, следовало бы с увесистого массива теоретических выкладок из курса термодинамики, но в практическом смысле пользы от этого немного. Во-первых, сама трактовка понятия температуры в физике довольно неоднозначна, а во-вторых, большинство соотношений в термодинамике рассматриваются с точки зрения идеальных тепловых машин (а мы, к сожалению, живём в реальном мире).

Главной особенностью измерения температуры является то, что она не подчиняется закону аддитивности. Другими словами, её невозможно установить методом прямых измерений. Но возможно сделать это путём косвенных — на основе данных об объёме, давлении, сопротивлении тел в измеряемой среде и т.д.

В связи с этим для установления функциональной связи выбранной величины с температурой тела выбирают т.н. реперное (опорное) состояние этой физической величины. Общепринятые реперные точки описаны в Международной температурной шкале 1990 (МТШ-90), определяются экспериментально и представляют собой температуры фазовых переходов чистых веществ. Например, одной из реперных точек является тройная точка воды (0,01°С).

Градуировка промежуточных значений (интерполяция), отражающих функциональную зависимость значения выбранной величины (например, объём жидкости в градуснике или термо-ЭДС на термопаре) от температуры, на практике происходит при помощи эталонов (кстати, список всех государственных первичных эталонов можно посмотреть здесь).

Итак, нам нужно выяснить температуру чего-нибудь(тела, среды и т.д.). Как же нам это сделать?

Если подумать (немного), то можно прийти к мысли, что есть два способа: контактный и бесконтактный.

Первый, как не трудно догадаться, основан на передаче чувствительному элементу тепловой энергии от тела или среды. Например, мы помещаем ртутный градусник в некоторый объем исследуемой жидкости и при наступлении теплового равновесия между жидкостью и чувствительным элементом (металлическим резервуаром с ртутью) делаем вывод о температуре по расширению ртути.

Контактными средствами измерения температуры могут являться жидкостные и биметаллические термометры, принцип действия которых основан на расширении вещества, манометрические термометры, основанные на давлении газа в замкнутом объёме, термоэлектрические измерители (термопары) или же термопреобразователи сопротивления.

Бесконтактный способ измерений (пирометрия) основан на измерении мощности теплового излучения. Приборы для бесконтактного определения температуры, собственно, называются пирометрам. Но их мы здесь касаться не будем, поскольку это тема для отдельной заметки.

Начнём, пожалуй, с самого простого и знакомого каждому типа термометров — термометров расширения.

Термометры, принцип работы которых основан на принципе расширения вещества под действием температуры, не обязательно являются жидкостными, как ртутный или спиртовой градусники. К таким приборам относятся, например, и биметаллические и стержневые термометры (дилатометры).

Чувствительным элементом в биметаллических термометрах является пружина, представляющая из себя спай из двух пластин из металлов с разными температурными коэффициентами расширения. При его нагреве обе пластины расширяются, но в разной степени, тем самым изгибая пружину в сторону металла с меньшим коэффициентом расширения, и по величине этого изгиба мы можем делать вывод о температуре исследуемых среды или тела.

Дилатометрические термометры основаны на том же принципе: трубка, а внутри трубки имеется стержень из отличного от трубки металла; трубка и стержень по разному удлиняются при нагревании. По соотношению их длин делается вывод температуре измеряемой среды. На рисунке ниже схематично изображен принцип работы этих двух приборов.

Биметаллические и дилатометрические термометры редко применяются сами по себе. Как правило, они служат в качестве переключателей в составе сигнализаторов и регуляторов, замыкая и размыкая контакты электрических схем.

Принцип работы жидкостных термометров заключается в объемном расширении жидкости в закрытом резервуаре, сообщенным с тонкой стеклянной трубкой — капилляром.

По мере нагревания резервуара жидкость расширяется и выдавливается вверх по капилляру, и по высоте столба жидкости делается вывод о температуре. Чувствительность такого прибора определяется размерами капилляра: чем он тоньше, тем чувствительнее прибор. В качестве рабочей жидкости используют спирт или ртуть из-за высоких коэффициентов расширения, при этом иногда ртуть более предпочтительна, поскольку позволяет снимать более стабильные показания.

Иногда также встречаются ртутные термометры в контактном исполнении: контакты впаиваются в резервуар и некоторые точки шкалы, что позволяет замыкать их столбом ртути при достижении определённой температуры.

В противном случае, когда в среду погружена только часть термометра, из-за разности температур окружающей и измеряемой среды температура в верхней точке столба жидкости будет отличаться от температуры рабочей жидкости в резервуаре, т.е. температурное расширение будет неравномерным по всей длине столба, что приведёт к погрешности.

В таком случае вводят поправку:

, где Δt — поправка (в °С), α — коэффициент линейного расширения в капилляре (например, для ртути этот коэффициент равен 0,00016), n — высота выступающей из измеряемой среды части столба (в °С), tи и tв — температуры измеряемой и окружающей среды соответственно.

Преимущества и недостатки жидкостных термометров расширения довольно очевидны: они крайне простые и дешевые, но при не этом необслуживаемые и очень хрупкие.

Как уже отмечалось выше, принцип действия манометрических термометров основан на изменении давления газа или жидкости в замкнутом объёме при изменении температуры.

Трубчатая манометрическая трубчатая пружина (по типу трубки Бурдона) сообщается через гибкий капилляр с термобаллоном. При нагревании термобаллона давление рабочего вещества внутри системы увеличивается, искривляя тем самым манометрическую пружину, которая в свою очередь посредством зубчатого механизма приводит в движение стрелку на циферблате.

В качестве рабочего вещества используют как жидкости (ртуть или ксилол), так и инертные газы (азот или гелий). Шкалы у таких приборов равномерные, но жидкостные системы более подвержены влиянию окружающей температуры, для газонаполненных же термометров это влияние незначительно. Кроме того, весомую погрешность в измерения вносит гидростатическое давление из-за разного уровня расположения термобаллона и манометра.

Этот вид термометров активно используется во взрывоопасной среде, например, в газопроводах. Но их обслуживание и монтаж довольно геморны, а показания температуры довольно инерционны.

Переходим к игрушкам поинтереснее.

Если взять два проводника из разных металлов и спаять их друг с другом, то при нагреве места спайки на обратных концах этих проводников возникает термо-ЭДС, пропорциональная температуре нагрева. Это явление называется эффектом Зеебека и лежит в основе следующего вида измерительных приборов — термоэлектрических преобразователей или термопар.

Наиболее точные термопары получают из спайки платины и платинородия. Спай из этих двух металлов наиболее стабильно показывает себя при достаточно большом спектре рабочих температур, выдает относительно высокое значение термо-ЭДС и имеет наиболее близкую к линейной зависимость термо-ЭДС от температуры. На производствах, где требования к измерениям попроще, часто используют термопары хромель-копель или хромель-алюмель.

Спай проводников (термоэлектродов) заключается защитную арматуру (как на изображении выше), которая имеет погружную часть, ограниченную металлической юбкой.

Как вы понимаете, сама термо-ЭДС на выходе термопары довольно мала. Вот, например, таблица термо-ЭДС для термопар платина-платинородий.

Поэтому в стародавние времена для снятия показаний термопар использовались довольно точные, но крайне ненадёжные магнитоэлектрические механизмы и  потенциометры. Кроме того, приходилось учитывать сторонние ЭДС, обусловленные подключением термопар к измерительному оборудованию, несовершенством конструкции самих термопар, зачастую необходимо было изобретать схемы с терморезисторами, для корректирующих поправок.

Сегодня же любой уважающий заводчанин предпочитает работать с термопарами, снабженными измерительными преобразователями, которые прекрасно преобразуют термо-ЭДС с термопары в стандартный унифицированный сигнал 4-20 мА, а на некоторых из них даже изображены волнующие 4 буквы, при произношении которых кончик языка совершает путь в три шажка вниз по нёбу, чтобы на третьем толкнуться о зубы: H-A-R-T. Это позволяет забыть о компенсационных проводах и архаичных мостовых схемах для внесения температурных поправок.

Тут всё крайне просто: измерения температуры производятся на основании данных сопротивлении чувствительного элемента. Чувствительный элемент изготавливается из платины (подороже и поточнее) или из меди (попроще и подешевле). 

Платиновые термометры сопротивления используют, как правило, в качестве эталонных средств измерений благодаря “более линейной” НСХ (номинальной статической характеристики). Кроме того, она обладает более высоким удельным сопротивлением, чем медь, и в отличии от меди не окисляется при высоких температурах.

Исполнения могут быть самыми разнообразными: 2-х, 3-х, 4-х проводные схемы подключения, самые разнообразные форматы погружных частей, в том числе с несколькими чувствительными элементами.

Мы рассмотрели основные типы наиболее часто встречающихся измерителей температуры. Рассказать можно бы было ещё много о чём, можно было бы углубится в детали, но я считаю, что для формата “заметок” такой краткий поверхностный обзор вполне приемлем.

Надеюсь, что это не последний подобный пост в лучшем подсайте для работяг, и в будущем мы ещё поговорим о разных штуках.