Измерване на температура в индустриални условия

Измервателна техникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 7, 2010

Измерване на температура в индустриални условияИзмерване на температура в индустриални условияИзмерване на температура в индустриални условияИзмерване на температура в индустриални условияИзмерване на температура в индустриални условия

Управлението на технологичните процеси е невъзможно без коректно измерване на температурата

    В настоящия брой продължаваме темата за измерване на температура в индустриални условия, стартирана в брой 2/2010 на Инженеринг ревю, с представяне на използваните методи и технически средства, някои от които бяха разгледани в първата част на материала.
В зависимост от материала на термоелектродите и работния им температурен обхват, термодвойките се разделят на няколко типа. Всеки от тях се характеризира с различна чувствителност на термоелектродвижещото напрежение по отношение на температурата. Според ANSI, термодвойките се класифицират в следните типове: E (CrNi-CuNi), J (Fe-CuNi), K(CrNi-Ni), N (NiCrSi-NiSiMg), R (PtRh13%-Pt), S (PtRh10%-Pt), B (PtRh30%-Pt Rh6%) и C (WRe5%-WRe26%). Съответно, по ГОСТ термодвойките са следните типове: ХК, ХА, ПП (13% Rh), ПП (10% Rh), ППр (30%Rh-6%Rh) и ВР. Зависимостта на ЕДН от температурата и температурния обхват за различните типове термодвойки е нелинейна. Затова, за всеки тип термодвойка е разработена градуировъчна таблица или нелинейна функция, по която се извършва линеаризация и отчитане на температурата, в зависимост от измерването. За аналитична апроксимация на табличните данни, обикновено се използва полином от вида: Т = а0 + а1V + а2V2 + …+ аnVn, където V е измереното напрежение в микроволти; Т е температурата в °С; а0...аn са коефициенти на полинома, които са индивидуални за всеки тип термодвойка. За стандартните термодвойки тези коефициенти са строго установени.

Температурата на свободните краища следва да е постоянна
Градуировъчните таблици и коефициентите за полиномите се задават за температура на студения край на термодвойките равна на 0 °С. По тази причина свободните краища на термодвойките трябва да имат стойност 0 °С. В случай че това не е възможно, се поддържа друга, но постоянна стойност на температурата, която трябва да се компенсира. Ако свободните краища се разположат в клемната кутия на чувствителния елемент – там където свършват термоелектродите, не е възможно да се осигури постоянната им температура. Тогава възниква необходимост от удължаване на термоелектродите без да се деформира термоелектродвижещото напрежение, за да се отведат свободните краища до място, в което ще бъде удобно те да се термостатират или да се постави устройство за автоматична корекция. Тъй като температурата на клемната кутия на чувствителния елемент и на околната среда е много по-ниска от измерваната, то не е задължително удължаващите проводници да бъдат изработени от материала на термоелектродите.
Важно условие е удължаващи проводници да създават термоелектродвижещо напрежение, което е равно на характерното за термодвойката, към която са свързани, в температурния интервал от 0 до 200 °С. При свързване на удължаващите проводници към термоелектродите, задължително трябва да се спазва полярността. В противен случай ще се появят паразитни термодвойки, които ще доведат до грешки в показанието на измервателния уред. В таблица 1 са показани грешки, наблюдавани при обратна полярност на свързване или при свързване с друг тип удължителни проводници.

Структурата на термоелектрически термометър
има вида, показан на фиг. 1. Основен елемент от конструкцията на термометъра е термоелектрическият измервателен преобразувател (ТИП), т.нар. термодвойка. От нейните метрологични качества се определят и качествата на термометъра.
Значително влияние върху точността на измерване оказва и коригиращият измервателен преобразувател (КИП). Той има за задача да внесе необходимата корекция в резултата от измерването, породена от ненулевата температура на студения край на термодвойката. Полученото термоелектродвижещо напрежение, което съответства на градуировъчната характеристика на термодвойката, постъпва на входа на измервателен преобразувател (ИП).
В съвременните термоелектрически термометри изходната величина на ИП е или преместване a(qх) на показалец(стрелка) по градуирана скала, или цифрово показание N(qх). Входна величина на коригиращия измервателен преобразувател е температурата q0 на студения край на термодвойката, а изходна - напрежението, което съответства на градуировъчната характеристика ЕАБ0(q0). Обикновено коригиращият измервателен преобразувател е вграден в термоелектрическия термометър.

Съвременните коригиращи преобразуватели
използват различни термочувствителни елементи, включително: терморезистори, термистори, термодиоди и термотранзистори. Конструктивно се осигурява еднаква температура на термочувствителните елементи и студените краища на термодвойката във всеки момент по време на измерването. Самите термоелементи се включват в подходящи електрически схеми, които позволяват на изхода на коригиращия преобразувател да се създаде необходимото напрежение. Обикновено се използват мостови схеми в неравновесен режим. Принципна електрическа схема на коригиращ преобразувател може да се види на фиг. 2. Тя представлява мостова схема, която се захранва с постоянно напрежение. Трите рамена на моста R1, R2  и R3 се изработват от манганов проводник, който има много нисък температурен коефициент на съпротивление, а четвъртото R4 – от меден проводник. При температура 0 °С мостът се намира в равновесие. Ако температурата на моста се отличава от 0 °С, между точките а и b възниква потенциална разлика Uab, като следва да е изпълнено условието: Uab = Е(q0,0), mV.
Променливите резистори се използват както за коригиране на сигнала Uab , така и за преминаване от един тип термодвойка към друг. Коригиращият измервателен преобразувател е свързан последователно към термоелектрическия преобразувател така, че поправката ЕАВ0(q0) се сумира с термоелектродвижещото напрежение на термодвойката. По такъв начин на изхода се получава сигнал, равен на Е(q,0), който се преобразува в преместване на стрелката или в цифрова стойност на дисплея.

Резисторни термометри
Принципът на действие на терморезистора се основава на зависимостта на съпротивлението на метален проводник от температурата. На базата на тази зависимост, проследявайки изменението на съпротивлението на терморезистора, се отчита температурата на средата, в която той е поставен. Следователно, изходен параметър на устройството е електрическа величина, която може да се измери с достатъчно висока точност (до 0.02°С), да се предаде на голямо разстояние и непосредствено да се използва в системите за контрол и управление. Функционалната връзка между съпротивлението и температурата е: RT = R0(1+a1T +a2T2+…+anTn). Тук RT е съпротивлението при T 0C; R0 - съпротивлението при 0 °C ai са константи. Броят на членовете в разлагането зависи от използвания материал, температурния интервал и необходимата точност на измерване.
Тези термометри най-често се изработват от платина, никел, мед, желязо и полупроводници. За да се представят характеристиките им с висока точност в ограничен диапазон на температурата от 0 до 100 °C, са необходими две константи ai за платина и три константи ai за никел и мед. Сравниелно добра точност се получава при използване на израза RT = R0(1+aT).
Важен параметър при терморезисторите е R0, т. е. стойността на съпротивлението при 0 °C. Този параметър се включва и в обозначението на терморезисторите, а именно: 50М, 100М, 50П, 100П, Pt100, Pt500, Pt1000 и др.

Две групи точност на терморезисторите
Според точността си, терморезисторите се разделят в две основни групи: А - 0.15+0.002|t|, °C и В - 0.3+0.005|t|, °C. Предлагат се и терморезистори с по-висока точност, но те се използват за лабораторни нужди и за калибриране.
В първите години на съществуването си, резисторните термометри се изработвали с меден проводник. За да се постигне високо съпротивление, обаче, било необходимо да се осигури много голяма дължина на проводника. Затова, в съвременните терморезистори най-широко приложение намират резисторните термометри от платина. При температура под 20 K се използва родий. Този материал се характеризира с по-висока чувствителност по отношение на температурата в сравнение с платината. Все още намират приложение и елементи, изработени от никел и негови сплави, което се дължи на ниската им цена и достатъчно високо съпротивление. На фиг. 3 може да се види крива на зависимостта на съпрoтивилението от температурата.
Термоелементи от платина
Платината се използва и в жични, и в слоести елементи. Елементи от чиста платина се получават чрез използване на бездеформационни намотки. Зависимостта на съпротивлението от температурата за платинов елемент в температурния интервал [-183 °C, +630 °C] се определя посредством формулата на Календер - Ван Дюзен: RT = R0 + R0a[T-d(0.01T-1)(0.01T) - b(0.01T -1)(0.01T)3], където a, d и b са константи (следва да се има предвид, че b има различнa стойност за температури над и под 0°C). Стойността на a определя изменението на съпротивлението на елемента при 100 °C, b - изменението на характеристиката при температура под 0 °C, обикновенно при T = -182.96 °C (точка на кипене на кислорода). По константата d се съди за изменението на съпротивлението при температура над 100 °C. Типични стойности на константите са: a = 0.00392 °C-1, b = 0,T>0 °C или b = 0.11,ТТемпературата се пресмята като редуцирано съотношение и към нея се прибавя малка температурна поправка DT. Като правило тя не надвишава 0.05 °C. Константата б зависи от чистотата на платината, използвана в елемента, и нараства с повишаването й. Съпротивлението на елементите на резисторния термометър се изменя приблизително в диапазона от 10 до над 25 000 W. Платината се използва в работен температурен диапазон от -267.78 °C ...+1010 °C; медта в диапазона от -195.56 °C ... +260 °C; никелът - от -195.560 °C ... +426.67 °C.
Конструкцията на терморезистор е показана на фиг. 4. За да се осигури добра защита и възможност за бърза смяна, измервателният елемент в уредите за промишлено приложение се поставя в измервателна вложка. Тя се разполага в защитна гилза . Измервателната вложка се фиксира с винтове в клемната кутия на терморезистора. Измервателният резистор се свързва посредством изводи 10, изолирани с керамични пръстени към клемен цокъл. Закрепването към обекта се реализира посредством щуцера.

Разлики от медните и платинените терморезистори
За разлика от тях, медните терморезистори имат чувстителен елемент от изолиран меден проводник с диаметър 0.1 mm, навит на няколко слоя върху цилиндрично - метално или пластмасово тяло. Намотките са свързани помежду си и към тялото посредством лаково покритие. Към двата края на проводника се запояват медни изводни проводници с диаметър 0.75 - 1 mm. Чувствителният елемент е поставен в защитна гилза.
Чувствителният елемент на платинените терморезистори включва две или четири платинени спирали, разположени в каналите на керамично тяло (фиг. 5). Каналите между тях се запълват с керамичен прах, който служи за изолация и осигурява устойчивост на вибрации в процеса на експлоатация. Към краищата на спиралите се запояват изводни проводници, изработени от сребро или платина. Чувствителният елемент се херметизира със специална глазура.
Друг метод, използван за изработване на платинови терморезистори, е прахово отлагане на тънък слой платина върху порцеланова подложка. Тази технология позволява да се изработят чувствителни елементи с изключително малки размери и с минимален разход на платина. По този начин платината запазва свойствата си, сред които устойчивост към високи температури, термостабилност и практически линейна температурна зависимост от съпротивлението.

Схеми на свързване с измервателните устройства
При измерване на температура с терморезистор, чувствителният елемент се свързва към измервателния уред чрез съединителни проводници. Следователно, включеното към измервателния уред съпротивление е по-голямо от съпротивлението на чувствителния елемент. Затова съпротивлението на съединителните проводници трябва да бъде коригирано.
В зависимост от диапазона на измерване и изискванията за точност, терморезисторите се свързват към измервателните устройства по дву-, три- или четирипроводна схема на свързване. За тази цел се използват измервателни вложки с две, три и четири вътрешни линии. Ако съпротивленията на вътрешните линии са пренебрежимо малки, е възможно използването на измервателна вложка с две вътрешни линии в три- и четирипроводни схеми на свързване.

Специфики на схемите на свързване
При двупроводната схема на свързване, съпротивлението на терморезистора и съпротивленията на съединителните проводници се включват последователно в един от клоновете на мостова измервателна схема (фиг.6а). Уредите, предназначени за работа по двупроводна схема, трябва да бъдат градуирани със съпротивление на линиите, имащо постоянна стойност. За тази цел се измерва съпротивлението на линиите, като към него се добавя допълнително съпротивление с цел осигуряване на тази постоянна стойност.
С цел намаляне на грешката, внасяна от съединителните проводници, се използва трипроводна схема на свързване (фиг. 6б). При тази схема съединителните проводници се свързват към измервателния клон, сравнителния клон и източника на захранване. При симетричните измервателни схеми, в които съпротивленията на измервателния и сравнителния клон са еднакви, промяната в стойността на съпротивлението на съединителните проводници не оказва влияние върху точността на измерване.
Четирипроводната схема на свързване на чувствителния елемент се използва в приложения, към които са поставени изисквания за висока точност.
При измерване на стойността на съпротивлението на терморезистора трябва да се отчита влиянието, което оказва протичащият през него ток. Съгласно със закона на Джаул-Ленц, се отделя топлина, която нагрява чувствителния елемент до температура, по-висока от измерваната и съответно, променя съпротивлението му. Ако уредът работи в промишлени условия, измервателният ток се пресмята така, че грешката от самонагряване да не бъде по-голяма от 0.1% от стойността R0.

Полупроводниковите резистори, познати като термистори
Термисторът представлява термочувствителен резистор, изработен от полупроводников материал (агромерирана смес от сулфиди, селениди, никелов окис, манган, желязо, кобалт, мед, магнезий, титан, уран и други метали). Тази смес се оформя във вид на малки топчета (мъниста), дискове, сърцевини (обикновено херметизирани със стъкло или епоксидна смола) и шайби.
Повечето термистори се характеризират с относително високо съпротивление и висок отрицателен температурен коефициент на съпротивление, т. е. съпротивлението им намалява с увеличаване на температурата. Високата стойност на коефициента на съпротивление позволява използването на термистори за регистриране на малки температурни изменения, които не могат да бъдат наблюдавани с помощта на резисторен датчик за температура или с термодвойка. С цел постигане на по-висока чувствителност, се губи от линейността на характеристиката. Затова при термисторите зависимостта на съпротивлението от температурата е силно нелинейна.
Предлагат се и термистори с положителен температурен коефициент на съпротивление, изработени от смес на бариев титанат и стронций. Тези термистори често се наричат термисторен превключвател за специфични зависимости на съпротивлението от температурата. Характерно за тях е, че при увеличаване на температурата, съпротивлението остава практически постоянно, докато не се достигне до температурата на превключване (т. нар. точка на Кюри). След нея всяко допълнително повишение води до увеличаване на съпротивлението. Температурата на превключвателя може да се изменя от -20 до +125 °C. Термисторите с положителен коефициент на съпротивление намират приложение най-често като термостатиращо реле за контрол и регулиране на температурата в пещи.

Измервателни преобра-зуватели, индикатори и регистратори за температура
С развитието на микропроцесорните технологии в измервателната техника, аналоговите измервателни прибори все повече отстъпват място на цифровите уреди. Цифровите преобразуватели, индикатори, контролери и регистратори имат подобни входни измервателни преобразуватели. Различават се по изходния си сигнал, който би могъл да бъде токов, цифров, индикация, команда към изпълнителен механизъм или регистрация на измерваната температура.
На фиг. 7 е показана принципна схема на микропроцесорен преобразувател за температура. Към входа му е възможно включването на термосъпротивления по дву-, три- и четирипроводна схема, термодвойки от различен тип, потенциометри, двойка терморезистори или двойка термодвойки за измерване на температурна разлика. Входната величина от датчика (съпротивление или електродвижещо напрежение) се преобразува в аналогово-цифров преобразувател и постъпва в микропроцесор. Следва галванично разделяне и последваща обработка. Изходният токов сигнал, който е пропорционален на измерваната температура, се получава в цифрово-аналоговия преобразувател и може да се използва за индикация и управление. Чрез програмно осигуряване се конфигурира типът на входа, схемата на свързване, вътрешната или външната компенсация на студения край (за термодвойки), градуировката на чувствителния елемент, обхватът на измерване.
Грешката на преобразувателите е от порядъка на 0.2ё0.3 °С за термосъпротивления и 0.5ё1 °С за термодвойки. Грешката от въздействието на околната среда е 0.01% от обхвата на измерване. Предлагат се преобразуватели, поддържащи цифрови сигнали по различни индустриални мрежови стандарти.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top