Измерване на температура
Начало > Измервателна техника > Статии > Сп. Инженеринг ревю - брой 2, 2010
Основни методи и технически средства за определяне на температурата в индустриални условия
За да се осигури високопроизводителна, икономична и безопасна работа на технологичните агрегати в енергетиката, металургичната и химическата промишленост, е необходимо да се заложи използването на съвременни методи и средства за измерване на величини, характеризиращи производствения процес и състоянието на оборудването. Автоматичният контрол се явява първа степен на автоматизацията, без успешното функциониране на която е невъзможно създаването на ефективни системи за управление. Температурата е процесна характеристика на почти всеки производствен процес, което определя многообразието на използвани методи и средства за нейното измерване.
За да се измери точно температурата, е необходимо правилно да се построи съответстващата й измервателна система, като се отчетат всички влияещи фактори. В статията се разглеждат техниките на измерване на температура, намиращи приложение в контролно-измервателните и управляващите електронни системи.
Температурата е пропорционална на средната кинетична енергия
Температурата на телата е величина, характеризираща степента на нагрятост, която се определя от вътрешната кинетична енергия на топлинното движение на молекулите. Следователно, температурата може да се разглежда като условна статистическа величина, правопропорционална на средната кинетична енергия на молекулите на телата.
Температурата не може да бъде измерена непосредствено. Измерването й практически е възможно по метода на сравнението на нагряването на две тела, при което се използва определено физическо свойство, зависещо от температурата.
Веществото, което се избира за измерване на температурата, се нарича термометрично вещество, а неговите параметри, по промените на които се съди за изменението на температурата - термометрични величини. В качеството на термометрични величини се използват различни физически величини като: обем, налягане, електрическо съпротивление, линеен размер, термоелектрическо напрежение и други, които се изменят непрекъснато по даден закон.
Важни дати от историята на термометъра
Първото достоверно известно устройство за измерване на температура било създадено от Галилео Галилей около 1595 г. Този прибор, наречен термоскоп, използвал явлението обемът на даден газ да се променя при нагряване и охлаждане. Приборът, както и последващите го аналози, се отличавал с голям недостатък: неговата скала била относителна и показанията не се изразявали в числова форма.
Широка стъпка в развитието на методите за измерване на температура ознаменувало въвеждането на първата температурна скала, от изобретателя на живачния термометър Г. Фаренхайт в началото на 18 век. Тя носела неговото име и се характеризирала с две опорни точки. За долна опорна точка (0°F) той използвал температурата на замръзване на солен разтвор, която била най-ниската възпроизводима през това време, а за горна опорна точка - температурата на човешкото тяло. Самият изобретател определял втората еталонна точка като температурата под мишницата на здравия англичанин.
Познатата ни десетична температурна скала била предложена от А. Целзий през 1742 г. За нейни опорни точки се използват температурата на топене на леда (0°С) и температурата на кипене на водата (100°С).
И накрая, в началото на 19 век, била предложена универсална абсолютна термодинамична температурна скала, от английския учен - лорд Келвин, която се превърнала в стандартна в съвременното измерване на температура. Едновременно с това Келвин обосновал понятието абсолютна нула по температура.
Единица и скала за измерване на температурата
Процесът на измерване на различни физични величини се състои в експериментално определяне на съотношението между стойността на измерваната величина и величината, условно приета за единица.
Температурата, характеризираща вътрешното състояние на телата и отнасяща се към категорията на т.нар. интензивни физични величини (независещи от масата на тялото), не притежава свойството адитивност. Следователно за измерването й е необходима не само единица за измерване, но и скала, по която да се отчита стойността на температурата.
За температурна единица в системата СИ е приет келвин (К). Той се определя като част от температурата на тройната точка на водата (температурата на равновесие на три фази - твърда, течна и газообразна на чиста вода). Тя е приета за 0,01 К по-висока от температурата на топене на леда. Възпроизводимостта на добре подготвената тройна точка на водата достига до 0,0002 К.
Важно условие за температурните измервания е наличието на температурна скала. До създаването на термодинамичната скала съответните температурни скали са строени, с малки изключения, по един и същ начин – на две постоянни точки се присвоява определена числена стойност, а за ограничения по този начин интервал се приема, че термодинамичните свойства на веществото в термометъра са линейно свързани с температурата, t: t=kE+D. Във формулата k е коефициент на пропорционалност; Е - термометрично свойство, а D - константа.
Какво представлява термодинамичната скала?
Практическият опит показва, че с изменение на температурата коефициентът k също се променя, при това различно за отделните термометрични вещества. С този факт се обяснява защо термометрите с различни термометрични вещества, имащи равномерна скала, показват при температури различни от тези на основните точки различни показания. Поради изтъкнатите причини термодинамичната температурна скала се превръща в изходна за създаване на температурни скали, независещи от свойствата на термометричното вещество.
Термодинамичната скала е тъждествена на скалата на идеалния газ, изградена върху зависимостта на налягането на газа от температурата. Законите за изменение на налягането от температурата за реалните газове се отклоняват от тези за идеалните, но корекциите на отклонението са малки и могат да бъдат определени с голяма точност. По този начин чрез оценяване разширението на реалните газове и посредством въвеждането на корекции е възможно определянето на температурата по термодинамичната скала.
През 1954 г. е приета термодинамичната температурна скала, която се дефинира с една реперна точка, а именно тройната точка на водата. Термодинамичната скала започва от абсолютната нула. Тя съвпада със скалата на газов термометър, запълнен с идеален газ, който е калибриран при тройната точка на водата. Измерването на температурата с газов термометър е твърде сложно и в повечето случаи неприложимо в практиката. Използва се само за точно определяне на термодинамичната температура на реперни точки, с които по-нататък се еталонират използваните точни термометри за различни обхвати на температурата. Чрез тези реперни точки се дефинира
Международната практическа температурна скала
(МПТС). Тя представлява практическа реализация на теоретичната термодинамична скала с възможно най-точно приближение. МПТС е претърпяла няколко корекции, последната от които е извършена през 1990 г. и се означава с ITS – 90. Тя използва 17 реперни точки, които са възпроизводими с достатъчно висока точност.
Интерполацията между реперните точки на температурната скала се изчислява на базата на формули, илюстриращи съотношението между температурата и показанията на стандартните термометри.
В различните области от температурната скала се използват различни термометри. Например, в интервала от 0,8 К до 5 К се използва измерване на налягането на наситени пари на хелия. В интервала от 13,81 К до 630,74°С намира приложение платинов терморезистор (фиг. 1), а в интервала от 630,74°С до 1064°С – термодвойка платина- платинородий. Съответно над температура 1064°С се използва оптичен пирометър.
Три са основните физични принципи за измерване на температурата
Добре известно е, че методите за измерване на температура се разделят на две базови групи: контактни и безконтактни. При контактните методи обмяната на енергия между средата и термометричното вещество се базира на топлопроводимостта, а при безконтактните - на радиацията и топлинното излъчване.
Съществуват три основни физични принципа, използвани при температурните измервания:
l Измерване на топлинното излъчване на нагретите тела. Този метод се използва за измерване на температурата на земната повърхност или на водната повърхност. Свързан е с измерване на радиационните характеристики в атмосферата;
l Определяне на температурата на средата чрез измерване на някои зависещи от нея физични характеристики. Например, подобна характеристика е скоростта на звука;
l Чрез измерване на някои зависещи от температурата физични характеристики на термометричните тела, поставени в средата и приемащи нейната температура посредством топлообмен.
Методи за измерване с практическо приложение
Практическо приложение са намерили методи за измерване на температурата, основани на следните зависимости:
l Топлинно разширение на течности и газове (при газови и течни термометри);
l Механична деформация на твърди тела при промяна на температурата им (при биметални и анемометрични термометри);
l Зависимостта на електричното съпротивление на метали от температурата (съпротивителни термометри);
l Температурната зависимост на p-n преходите в кристалните полупроводници;
l Температурна зависимост на съпротивлението на еднородни полупроводници;
l Зависимостта на собствената честота на трептене на кварцови пластинки със специален срез от температурата.
На фиг. 2 са показани обхватите на използване на различните видове термометри.
Механични термометри
Биметалният термометър е конструиран на основата на двойна пластинка, състояща се от две разнородни метални ивици, отличаващи се с различен коефициент на линейно температурно разширение. При изменение на температурата биметалната пластина се огъва. Съществуват и биметални термометри, при които пластинката е навита във вид на спирала.
Работата на този вид термометър се базира на зависимостта
l = Аt, където l е отместването на единия край на пластината, като се има предвид, че другият й край е неподвижен, а t е температурата.
Биметалният термометър се използва за местно показание на температурата. Използването му се увеличава след забраната за използване на живачни термометри в държавите-членки на Европейския съюз.
Към групата на електрическите преобразователи на температура принадлежат полупроводниковите термометри
Съществуващата зависимост на свойствата на p-n прехода от температурата в повечето приложения е нежелателна, но се използва с успех за измерване на температурата.
Датчиците, базирани на този принцип, се характеризират с линейна зависимост на изходния сигнал от температурата, но работоспособността им е ограничена в определен температурен интервал. Това е причината полупроводниковите термометри да не намират широко приложение.
Високи точност и надеждност на термодвойките
За измерване на температура в обхвата от –200 °С до и над +2500 °С сериозният пазарен дял се държи от термодвойките. Сред причините за това са високите им точност и надеждност.
Същността на термоелектрическия метод се основава на възникване на електродвижеща сила (ЕДС) в проводник, краищата на който имат различна температура (става въпрос за ефекта на Зеебек). За да се измери възникналото ЕДС, се използва сравнението му с ЕДС на друг проводник. На фиг. 3 са показани два проводника от различни метали или сплави A и B, съединени един с друг така, че да се образува затворена верига. Ако температурите, при които се намират двата получени контакта са различни, например
T1 < T2, то в затворената верига ще протече ток. Той ще протича до момента, в който съществува температурна разлика на двата контакта. Електродвижещата сила (ЕДС), предизвикваща наблюдавания ток, се нарича термо ЕДС на Зеебек. Приема се, че проводникът A е положителен по отношение на B, ако посоката на тока е от A към B, т.е. към по-хладния от двата контакта. Tермо ЕДС би могла да се измери с помощта на волтметър, включен във веригата, a токът - посредством амперметър. Ако затворената верига се разкъса, то напрежението между разделените свободни краища ще е функция на разликите между температурата на контакта и температурата на свободните краища. Тази разлика ще зависи преди всичко от материалите на термодвойката.
Термо ЕДС на дадена термодвойка зависи само от температурите t1 и t2 и не зависи от размерите на термоелектродите (дължина и диаметър), стойностите на топлопроводността и специфично съпротивление.
Елементи от конструкцията на термодвойка
Термодвойката представлява измервателен преобразувател, чувствителният елемент на който е разположен в защитна арматура, осигуряваща защита на термоелектродите от механически повреди и от въздействието на измерваната среда. На фиг. 4 е показана примерна конструкция на термодвойка, използвана в промишлеността. Арматурата включва защитна гилза 1, присъединителен щуцер 2 и клемна кутия 3, в която са разположени клеми 4 за присъединяване на термоелектродите 5 на термодвойката с кабела към измервателния прибор. Термоелектродите са изолирани по цялата си дължина с керамични пръстени 6. Защитните гилзи се изработват от газонепроницаеми материали, издържащи на високи температури и устойчиви на агресивното въздействие на средата. При температури до 1000 °С се използват гилзи от въглеродна или неръждаема стомана, а при по-високи температури – керамични. За термоелектроди се използват проводници с диаметър 0,2ё0,5 мм (от благородни метали) и 0,7ё4 мм (от неблагородни метали). Връзката на работния край 7 на термодвойката се осъществява посредством заварка, спойка или усукване. При някои конструкции на чувствителния елемент работният край на термодвойката се заварява към защитната гилза. За електрическа изолация на термоелектродите се използват материали, които запазват изолационните си свойства при съответните температури. Най-широко приложение при температури до 1300 °С са получили порцелановите тръби и мъниста. При по-високи температури се използват мъниста от алуминиеви окиси и други изолационни материали. За да се защитят от въздействието на измерваната среда, термоелектродите се поставят в защитни гилзи от газонепроницаеми материали, които издържат необходимите високи температури и налягания на работната среда. Защитните гилзи се изработват предимно от различни марки стомана за температури до 1000 °С и се подсъединяват към процеса посредством заваръчна, резбова или фланцова връзка. За по-високи температури се използват гилзи от труднотопими съединения.
Термодвойки от кабелен тип
Все по-широко е разпространението на термодвойките от кабелен (мантелен) тип. Те представляват два електрода, които са поместени в тънкостенна обвивка (фиг. 5). Пространството между термоелектродите 2 и обвивката 1 се запълва със специален изолационен материал 3 - прах от MgO или Al2O3. Обвивката се изработва от неръждаема или огнеустойчива стомана. Външният диаметър на обвивката е 1 до 6 mm, а дължината - до 100 mm. Кабелните термодвойки се изработват с изолирани и неизолирани спойки. Те се използват в интервала от -50 до 900 °С и в обвивка от огнеустойчива стомана до 1100 °С при налягане до 40 MPa. Един от най-сложните и отговорни етапи в технологията на изработването им е заварката на работния край, тъй като тя се извършва вътре в обвивката на термодвойката и съществува опасност от възникване на технологични дефекти на заваръчния шев. Те могат да доведат до преждевременно разрушаване на работната спойка, особено при термични удари и при режими на нагряване и охлаждане. Подобни дефекти са показани на фиг.6: а - добра заварка; б - неспояване на термоелектродите; в - изтъняване в зоната на заварката; г - микропукнатини и пори. Проведени изследвания показват по-висока термоелектрическа стабилност на кабелните термодвойки в сравнение с обикновените, при продължителна работа. Поради малките си диаметри те имат ниска топлинна инерция и са подходящи за бързодействащи процеси. Съществено предимство на кабелните термодвойки е тяхната радиационна устойчивост, поради което намират приложение за измерване на температура в ядрените реактори в АЕЦ. Други техни характеристики са повишена устойчивост към топлинни удари, вибрации и механични натоварвания.
Статията продължава в следващ брой на сп. Инженеринг ревю.
Вижте още от Измервателна техника
Новият брой 8/2024
