Общие сведения о средствах измерений и контроля 2 страница

2.2. Термоэлектрический преобразователь

Термоэлектрический преобразователь (temperature transmitter, electric) содер­жит в качестве чувствительного элемента термопару (thermocouple) - два разно­родных (с различной концентрацией свободных электронов) металлических про­водника – термоэлектродов,

соединенных пайкой или сваркой на измерительном (рабочем) конце, подвергаемом воздействию измеряемой температуры, и разомк­нутых на контрольном (свободном) конце, находящемся под воздействием из­вестной температуры и подключаемом к измерительному прибору (рис. 2.5).

Принцип действия термопары основан на термоэлектрическом эффекте, за­ключающемся в том, что в замкнутой цепи из двух разнородных проводников возникает электрический ток, если места соединения (спаи) проводников имеют разную температуру.

Рис. 2.5. Термоэлектрическая цепь из двух разнородных проводников

Спай с температурой t называется горячим или рабочим, а спай с более низкой (обычно постоянной) температурой t₀ - холодным или свободным. Термоэлектрический эффект объясняется наличием в металле свободных электронов, число которых в единице объема различно для разных металлов. Если, допустим, электроны диффундируют из проводника 1 в проводник 2, то первый в спаях с температурами t и t₀ заряжается положительно, а второй - отрицательно. Между проводниками 1 и 2 возникает разность потенциалов - термодвижущая сила ТЭДС.

c=e₁₂(t)- e₁₂(t₀) (2.3)

где e₁₂(t) - разность потенциалов при температуре t; e₁₂(t₀) - то же при температуpe t₀

Таким образом, результирующая ТЭДС E(t, t₀) будет зависеть от температур t и t₀.

На практике температуру t0 поддерживают постоянной, поэтому E(t,t₀)=f(t).

Значение термо-ЭДС, развиваемой металлами и сплавами, невелико и обыч­но не превышает 5-7 мВ на каждые 100°С, а при измерении высоких температур достигает суммарного значения 60-70 мВ.

В качестве термоэлектродов термопар используются такие чистые металлы и сплавы, которые обладают постоянством термоэлектрических свойств во времени, химически инертны, имеют высокую элктропроводность (низкое удельное сопротивление ), небольшой ТКС (температурный коэффициент электросопротивления), однозначную и по возможности близкую к линейной зависимости термо-ЭДС от температуры, хорошую технологическую воспроизводимость и взаимозаменяемость. Широкое применение в термопарах получили чистые металлы (платина, медь, железо) и сплавы – платинородий (содержанием родия в составе 10 или 13 %), константан (40 % никеля и 60 % меди), хромель (90 % никеля и 10 % хрома), копель (56 % меди и 44 % никеля), алюмель (95 % никеля и 5% алюми­ния, кремния, марганца) и некоторые другие многокомпонентные сплавы. Эти металлы и сплавы в комбинации друг с другом используются для изготовления термопар типов: ТПП 10/13 (платинородий - платина), ТПР (платинородий с 30 % родия - платина с 6 % родия), ТЖК (железо - константан), ТМКн (медь - кон­стантан), ТНН (нихросил - нисил), ТХА (хромель - алюмель), ТХК (хромель - копель), ТХКн (хромель - константан), ТМК (медь - копель), ТСС (сильх - си- лин), ТВР (вольфрам-рений с 5 % рения - вольфрам-рений с 20 % рения).

Характеристики ТП_, содержащих в качестве чувствительных элементов расcмотренные типы термопар, приведены в табл. 2.2.

Таблица 2.2

Тип Ш*	Литерное обозначе­ние НСХ	Диапазон нзнерш температур, °С	Класс, Прел допускаемого отклонения от НСХ. °С
ТПП 13 10	R S	{0-Г+1300} (1600)**	±1 - от 0 +1100 °С; ±(1+0,003(1-100)} - от 1100 °С	+ 1,5 от 0 до +600 °С; ±0,0025 /| ОТ 600 ДО 1600 °с	-
ТПР	в	{600-ь+1700}	-	± 0,0025|t| -от 600 до 1700 °С	±4 от 600 до +800 °С; ± 0,005|t| от 800 до 1700 °С
ТЖК	j	{-200+ +750} (900)	±1,5 - от -40 до +375 °С; ± 0,004|t| -от 375 до 750 °С	±2,5 от -40 до +333 °С; ± 0,0075|t| от 333 до 750 °С	-
ТМКн	т	{-200+ +350} (400)	±0.5 - от ^0 до +125 °С; ± 0,004|t| -от 125 до 350 °С	±1 - от -40 до +133 °С; ± 0,0075|t| -от 133 до 350 °С	± 0,015 |t| -от-200 до-67 °С; ±1 - от -67 до 40 °С
ТНН	N	{-270++1200} (1300)	±1,5 -от-40 до+375 °С; ± 0,004|t| - от 375 до 1000 °С	±2,5 -от-40 до+333 °С; ± 0,0075|t| - от 375 до 1200 °С	± 0,015 |t| от -200 до -167°С; ±2,5 от -167 до 40 °С
		{-200++1200}	± 1,5 -от-40 до+375 °С;	±2,5 -от-40 до+333 °С;	±0,015|t| - от -200 до -167°С;
ТХКн	Е	{-200-г+700} (900)	±1,5 -от-40 до+375 °С; ± 0,004|t| - от 375 до 800 °С	±2,5 - от -40 до +333 °С; ± 0,0075|t| -от 333 до 900 °С	±0,015|t| от -200 до -167°С; ±2,5 от -167 до +40 °С
тхк	L	{-200-г+600} (800)	-	±2,5 -от-40 до+300 °С; ± 0,0075|t| -от 300 до 800 °С	± 0,015|t| от -200 до -100°С; ±2,5 от -100 до +100°С
ТМК	M	{-20044100}	± (1,3 4- 0,0011/|) - от -200 до 0 °С: ±1-(УГ-0доШ9С
ТСС	I	{04-+800}	±1,5 от 0 до +375 °С; ± 0,004|t| от 375 до 800 °С	±2,5 -от 0 до+333 °С; ±0.0075|t| -от 333 до 800 °С	±2,5 -от 0 до +40°С
ТВР	А	{0 ++2200} (2500)	-	±0,005 - от 1000 до +2500°С;	± 0,007 |t| -- от1000 до +2500°С

* Положительный термоэлектрод указан первым.

** В круглых скобках указана предельная температура при кратковременном применении ТП.

Функциональная зависимость термо-ЭДС от температуры E(t)=f(t) опреде­ляемая при температуре свободных концов 0°С - номинальная статическая ха­рактеристика НСХ - индивидуальна для каждого типа термопары и задается градуировочиыми таблицами или набором аппроксимирующих полиномов по диапа­зонам температур. Каждому типу термопары по виду его НСХ присваивается ме­ждународное литерное обозначение. Графики НСХ для некоторых типов термо­пар (ХК, ХА), построенные на основе градуировочных таблиц, приведены на рис. 2.6. Крутизна графиков характеризует чувствительность той или иной термопары к малым изменениям температуры.

Термоэлектрические преобразователи различают по НСХ, измерительным диапазонам и классам допуска. Кроме того установлен ряд дополнительных тре­бований: диаметр термоэлектродов (0,07 - 0,5 мм - для электродов из благород­ных металлов и 0,1 - 3,2 мм - для электродов из неблагородных металлов), значе­ние электросопротивления изоляции между чувствительными элементами и за­щитной арматурой, а также требования к конструкции и совместимости и т.д. Не­которые требования к параметрам, например таким, как показатель тепловой инерции, номинальное значение температуры применения, параметры измеряе­мой среды и др., устанавливаются в ТУ для ТП конкретного типа.

На рис. 2.7 показаны типовые конструкции термоэлектрических преобразо­вателей.

пару помещают в защитный металлический или керамический чехол 4 с головкой 6, армируют керамическими бусами 3 и засыпают огнеупорным порошком 5. Ра­бочий спай погружают в защитный колпачок 2.

Рис. 2.8. Защитная арматура термопары

Для определения температуры жидкого металла (1450 - 1700 °С) применяют два метода измерения - термопарами кратковременного и длительного погруже­ния.

На рис, 2,9 показаны две конструкции измерительной части термопар крат­ковременного погружения. Первая (рис. 2.9, а) состоит из стальной трубы, на ко­торую навинчен графитовый цилиндрический блок 1. На другом конце трубы - катушка с запасом электродной проволоки. Рабочий контакт 2 получают путем скручивания электродов и защищают кварцевым наконечником 3, вставленным в графитовую пробку 4.

Защитный блок и пробку иногда выполняют из стали. Кварцевый наконечник

Термопары со сменной измерительной головкой (рис. 2.9, б) состоят из стальной трубы с защитным чехлом из спрессованного картона 5, измерительной меняется после каждого погружения в жидкий металл на 40-50 с. Используются вольфрам-рениевые или платинородий-платиновые термопары.

Рис. 2.9. Термопары измерения температуры жидкого металла

В преобразователе длительного погружения (рис. 2.9, в) рабочий спай защи­щается наружным наконечником из дибарида циркония или кварца 11 и внутрен­ним наконечником 12 из алунда с засыпкой между ними порошка оксида алюми­ния. Наконечник вставляется в головку 13 водоохлаждаемой фурмы 14, имеющей прямую или дугообразную форму. В качестве термоэлектродов 15 используются платино-родиевые или вольфрам-рениевые термопары.

Термоэлектрические преобразователи имеют малый уровень выходного сиг­нала и в общем случае чувствительны к изменению температуры свободного кон­ца (в зоне размещения ТП, где в головке располагаются свободные концы, темпе­ратура окружающей среды отлична от нуля и непостоянна, что создает дополни­тельные погрешности измерения), поэтому требуются специальные меры для подключения ТП к вторичным измерительным приборам,

Подключение ТП к прибору осуществляется с помощью соединительных проводов, которые создают новые контактные переходы и опасность появления в них паразитной термо-ЭДС. Проблема соединительных проводов решается при использовании компенсационных проводов, которые имеют термоэлектрические характеристики, аналогичные электродам термопары (эти провода удлиняют сво­бодные концы ТП и отводят их в зону с известной и постоянной температурой).

Постоянство температуры свободных концов создается благодаря использо­ванию компенсационного метода измерения, при котором в измерительную цепь вторичного прибора вводится компенсирующая ЭДС, зависящая от температуры окружающей среды в месте подключения прибора к соединительным проводам (частью такого прибора является встроенный терморезистор для измерения этой температуры).

Проблема удаленного подключения измерительного прибора и компенсации температуры свободного конца решается кардинально при использовании ТП с встроенным в его головку нормирующим преобразователем. Такие ТП аналогич­но ТС, имеют в своем обозначении букву У (например, ТХАУ).

При установке ТП на технологическом оборудовании сложной геометрии и в труднодоступных местах используются гибкие кабельные термоэлектрические преобразователи. Термопреобразователи имеют чувствительный элемент, изготовленный из термопарного кабеля типа КТМОХА (ХК) (Кабель Термопарный с Минеральной изоляцией в Стальной оболочке с Хромель-алюмелевыми или Хро- мель-Копелевыми термоэлектродами). Термоэлектроды со стороны рабочего тор­ца сварены между собой лазерной сваркой, образуя рабочий спай внутри сталь­ной оболочки термопарного кабеля. Минимальный радиус сгиба равен 2,5 значе­ния наружного диаметра термопарного кабеля, из которого изготовлен термопре­образователь. В табл. 2.3 приведены технические характеристики термопарного кабеля КТМС хромель-алюмель (- ХА) и хромель-копель (- ХК).

Таблица 2.3

Наружный диаметр оболочки кабеля, d. мм	1.0	1.5	3.0	4.0	4.6	5.0	6.0
Число термоэлектродов
Номинальное сечение термоэлекгродов, мм2	0.03	0.06	0.30	0.50	0.44	0.60	0.90
Диаметр термоэлектродов, vim	0.20	0.27	0.65	0.85	0.75	0.90	1.08
Толщина оболочки, S, мм	0.15	0,25	0,35	0,52	0,35	0,62	0,75
Материал оболочки	сталь 12Х18Н10Т	сталь 12Х18Н10Т, сталь 10Х23Н18, сплав XH78T

Преобразователи термоэлектрические Метран-200 предназначены для изме­рения температуры жидких и газообразных сред (рис. 2.10). В табл. 2.4 приведен стандартный ряд монтажных длин преобразователей ТХА Метран-201 и ТХК Метран-202.

На рис. 2.11 представлен преобразователь термоэлектрический ТХК Метран- 232, предназначенный для измерения температуры различных поверхностей, на­пример, для измерения температуры поверхности кожуха (брони) доменной печи.

Рис. 2.11. Конструкция ТП для измерения температуры поверхности

2.3.Термо-преобразователи с унифицированными выходными сигналами

Одним из важных признаков современных измерительных преобразователей является унификация их выходных сигналов, что в свою очередь позволяет уни­фицировать входные сигналы вторичных и регулирующих приборов. Унификация выходных и входных сигналов обеспечивает взаимозаменяемость передающих преобразователей, измерительных устройств, вторичных приборов и других уст­ройств автоматизации и возможность резкого сокращения номенклатуры (разно­образия) вторичных приборов.

Следует отметить, что для создания современных автоматизированных систем управления технологическими процессами наиболее перспективными преобразователями являются преобразователи и измерительные устройства с унифици­рованным сигналом постоянного тока. Использование постоянного тока позволя­ет избавиться от влияния индуктивности и емкости линии связи, повышает помехостойкость линии связи и обеспечивает их достаточную надежность. Не менее важным фактором является также возможность использования зарекомендовав­ших себя вторичных приборов постоянного тока, регулирующих приборов и средств вычислительной техники с входными сигналами постоянного тока.

Термопреобразователи с унифицированными выходными сигналами предна­значены для преобразования температуры твердых, жидких, газообразных и сы­пучих материалов в унифицированный токовый выходной сигнал, что дает воз­можность построения АСУТП без применения дополнительных нормирующих преобразователей.

Преобразователь температуры состоит из первичного измерительного преоб­разователя и выходного электронного устройства в виде печатной платы, встро­енной в головку термопреобразователя. Электронное устройство крепится на клеммах головки, легко снимается, что позволяет использовать один первичный измерительный преобразователь с несколькими электронными устройствами, на­строенными на различные диапазоны температур и различные выходные сигналы.

Термопреобразователи обеспечивают непрерывное преобразование темпера­туры в унифицированный выходной сигнал 0-5 мА или 4-20 мА.

В табл. 2.5,2.6 приведены технические данные и характеристики термопре-

образователей, на рис. 2.12 - схемы внешних электрических подключений.

Технические данные

Таблица 2.5

Тип и исполне­ние термопреобразователя	НСХ пер­вичного преобра­зователя	Диапазон преоб­разуемых темпе­ратур, °с	Предел допускае­мой основной приведенной по­грешности ±ү, %	Предель­ное рабо­чее избы­точное давление, МПа	Показа­тель теп­ловой инерции, с	Масса, кг, не более
ТСМУ-055		-50...50
ТСМУ-205	100М*	0...100	0,25; 0,5; 1,0**
ТСМУ-205-Ех		0...180
		-50...50				от 0,2
ТСПУ-055		0...100				ДО 0,57
ТСПУ-205	100П*	0...200	0,25; 0,5**	6,3
ТСПУ-205-Ех		0...300 0...500				в зависи­мости от
		0...200,0...300,				ДЛИНЫ L
ТХАУ-205	К	0...400,0... 500,	0,5; 1,0; 1,5***
ТХАУ-205-Ех		0...600, 0...700, 0...800, 0...900

* По специальному заказу возможна поставка с НСХ 50П или 50М. ** Предел допускаемой основной приведенной погрешности для ТСПУ/ТСМУ:

±0,25% - для длин свыше 120 мм;

±0,5% - для длин свыше 80 мм и для длины 60 мм при температуре до 200°С;

±1,0% - для длины 60 мм

*** Предел допускаемой основной приведенной погрешности для ТХАУ:

±1,5% - для диапазонов 0-100°С, 0-150°С, для диапазонов 0-700°С, 0-800°С, 0-900°С при длине 200-300 мм;

Для температур свыше 600°С длина погружаемой части не менее 200 мм.

Подключение термопреобразователей

Таблица 2.6

Тип и код исполнения датчиков	Выходной унифициро­	Схема подключения	Сопротивле­ние нагрузки Rh, Ом
ванный сигнал, мА
ТСПУ-205, ТСМУ-205, ТХАУ-205	4-20	2-х проводная (схема а)	до 1000
ТСПУ-055.ТСМУ-055	0-5	3-х проводная (схема Ь)	до 2500
ТСПУ-055/2, ТСМУ-055/2	4-20		до 1000
ТСПУ-055/1, ТСМУ-055/1	0-5	3-х проводная (схема с)	до 2500
ТСПУ-055/3, ТСМУ-055/3	0-20		до 1000
			определяется
			используе­
ТСПУ-205-Ех			мым искробе
тему»	4-20	2-х проводная (схема d)	зопасным
ТХАУ-205-Ех			блоком пита­ния и барье­ром защшы

Напряжение питания термопреобразователей Un~ от 18 до 36 В постоянного тока; тер­мопреобразователей "Ех" - от искробезопасных цепей блоков питания (барьеров).

- Термопреобразователи устойчивы к воздействию вибраций по группе N3 ГОСТ 12997 (частота от 5 до 80 Гц, амплитуда смещения 0,075 мм, ускорение 9,8 м/с2)

- Термопреобразователи устойчивы к динамическим изменениям напряжения питания:

· глубине провалов ±20% U„ при продолжительности изменения от 10 мс до 5 с;

· прерыванию питания продолжительностью от 10 мс до 10 с

- Потребляемая мощность не превышает 0,8 В-А

- Степень защиты от воздействия пыли и воды 1Р54 по ГОСТ 14254

Широкое распространение получили терморезисторные датчики Сапфир-100Т и Сапфир-200Т с унифицированным выходом ((предприятие НИИТЕПЛО-ПРИБОР). Пределы измерений: Сапфир-100Т – от -50 до +200°С, Сапфир-200Т – от -200 до +600°С. Чувствительные элементы – кремний на сапфире и композиционный материал.

а)

b)

с)

2.4. Измерение температуры тел по их тепловому излучению

Измерения температуры тел по их тепловому излучению производятся мето­дами пирометрии, а средства измерений температуры тел по тепловому излуче­нию принято называть пирометрами излучения или просто пирометрами. Они широко применяются в металлургической и в других отраслях промышленности.

При измерении температуры с помощью пирометров температурное поле объекта измерения не искажается, так как измерение, осуществляемое методами пирометрии излучения, не требует непосредственного соприкосновения с телом какого-либо термоприемника. Поэтому такие методы измерения температур принято называть бесконтактными,

Методы измерения температур, использующие различные свойства теплово­го излучения тел, вытекающие из законов излучения абсолютно черного тела, нашли широкое практическое применение. Под абсолютно черным телом пони­мают тело, которое поглощает всю падающую на него лучистую энергию. Такие тела в природе отсутствуют, но модель черного тела можно осуществить с достаточной степенью приближения.

Моделью наиболее приближающейся по своим свойствам к абсолютно черному телу, является полое непрозрачное тело с малым отверстием, все участки поверхности которого имеют одну и ту же температуру. Для такой модели черно­го тела коэффициент поглощения можно принять равным единице, так как энер­гия луча, попадающего в малое отверстие полого тела, практически полностью поглощается внутри последнего вследствие многократных отражений от внут­ренней поверхности.

Лучистая энергия выделяется нагретым телом в виде электромагнитных волн различной длины; при температурах до 500°С нагретое тело излучает инфракрас­ные лучи. По мере повышения температуры цвет тела от темно-красного доходит до белого, содержащего волны видимого спектра излучения. Одновременно с по­вышением температуры тела и изменением его цвета возрастает интенсивность монохроматического излучения (яркость), т.е. излучения при определенной длине волны, а также увеличивается суммарное излучение (световое и тепловое). Моно-хроматическое и суммарное (полное) излучения используются да измерения

температуры нагретых тел и в соответствии с этим пирометры излучения делятся нак пирометры частичного и полного излучения.

На рис. 2.13 приведены упрощенные схемы датчиков пирометров частичного (а) и полного (б) излучения.

Рис.2.13. Датчики пирометров излучения

Излучение от нагретого тела 1, пройдя через объектив 2 и диафрагму 3, по­падает на чувствительный элемент 4, который, поглощая энергию излучения, вы­рабатывает пропорциональный ей, а следовательно, и температуре электрический сигнал, который поступает в измерительную схему (вторичный преобразователь и вторичный измерительный прибор, градуированный в градусах Цельсия). В каче­стве чувствительного элемента в пирометрах частичного излучения используются фотодиоды, фоторезисторы и т. п., в пирометрах полного излучения (радиацион­ных пирометрах) - термобатарея, состоящая из нескольких последовательно со­единенных миниатюрных термопар. Для выделения из общего спектра излучения определенной длины волны применяется цветовой светофильтр 7. Окуляр 6 слу­жит для удобства визирования пирометра на тело 1. Все элементы датчика раз-

Фотоэлектрические пирометры частичного излучения делятся на две группы: пирометры, в которых мерой температуры объекта является непосредственно ве­личина фототока приемника излучения; пирометры, которые содержат стабиль­ный источник излучения, причем фотоприемник служит лишь индикатором ра­венства яркостей данного источника и объекта.

Принцип действия фотоэлектрических (яркостных) пирометров основан на сравнении интенсивности монохроматического излучения нагретого тела и эта­лонной пирометрической ламы накаливания.

При использовании в качестве фотоприемников фоторезисторов их включа­ют в мостовую схему (рис. 2.14).

Рис.2.14. Упрощенная схема фотоэлектрического пирометра

На фоторезистор ФР1 попадает световой поток от контролируемого объекта.

На фоторезистор ФР2 воздействует поток от лампы накаливания. При нарушении баланса моста напряжение с его измерительной диагонали подается на усилитель, который изменяет ее накал таким образом, чтобы уменьшить разбаланс моста. Показывающий прибор в цепи лампы накаливания может быть проградуирован в единицах температуры; градуировка проводится по показаниям образцового пи­рометра.

Пирометры спектрального отношения измеряют цветовую температуру объ­екта по отношению интенсивностей излучения Е и Е двух определенных уча­стках спектра, каждый из которых характеризуется эффективной длиной волны l₁ иl₂.

Здесь - относительная лучеиспускательная способность тела.

Следовательно, осуществив в приборе операцию логарифмирования, можно свести измерение отношения интенсивностей излучения к измерению разности их логарифмов. Это отношение однозначно определяет цветовую температуру на­гретого тела.

Пирометры спектрального отношения применяются для автоматического из­мерения температуры в металлургических и других отраслях промышленности. Функциональная схема пирометра типа "Спектропир-10" приведена на рис. 2.15.

Излучение от объекта 1 собирается оптической системой первичного преоб­разователя 2 и модулируется модулятором светового потока 3. Затем поток разде­ляется светоделительным устройством 4 на два потока, различных по своему спектральному составу, которые, попадая на приемники 5 и 6, вызывают появление на их выходе электрических сигналов перемекнного тока, пропорциональных излучению объекта в соответствующих спектральных участках. Сиг­налы приемников усиливаются усилителями, расположенными в ПСМ, и посту­пают в УП, где производится вычисление логарифма отношения интенсивностей излучения и унифицирование выходного сигнала.

Бесконтактный оптический датчик температуры (БОДТ-2), представляющий собой пирометрическое устройство, предназначен для технологического контроля температурных процессов в промышленных условиях.

БОДТ-2 позволяет контролировать инфракрасные потоки в двух различных спектральных участках среднего инфракрасного диапазона излучения. Фотосиг­налы, вырабатываемые под воздействием теплового излучения, поступают в узел аналоговой обработки и усиливаются двухканальным усилителем. Обработка вы­ходных сигналов позволяет определить температуру источника теплового излу­чения и контролировать технологические температурные процессы. Для повыше­ния точности в модуле фотоприемников предусмотрена термостабилизация фоточувствительных элементов.

Результата измерений не зависят от коэффициента излучения контролируе­мого объекта, расстояния до него, наличия пыли, пара в окружающей среде, пе­ремещения объекта в поле зрения фотоприемника.

Эти особенности пирометров спектрального отношения позволяют успешно использовать их для контроля температуры при производстве чугуна, проката и непрерывной разливки стали.

Пример схемы пирометрического измерения температуры жидкой стали в конвертере приведен на рис. 2.16.

Здесь 1 - жидкая сталь; 2 - огнеупорная кладка; 3 - зонд; 4 - преобразователь теплового излучения в световой сигнал; 5 - продувка аргоном; 6 - оптический ка­бель; 7 - пирометр спектрального отношения.