Надежность – рассматривается в двух аспектах: механическая надежность и метрологическая надежность

6. Надежность – рассматривается в двух аспектах: механическая надежность и метрологическая надежность.

7. Эксплуатационные характеристики – к их числу могут быть отнесены: масса, габаритные размеры, потребляемая мощность, прочность электрической изоляции, номиналы используемых электрических напряжений, а также стойкость к агрессивным средам, всевозможным излучениям, искробезопасность и т.д.

8. Стоимость и возможность серийного производства.

  3.2 Основные типы полупроводниковых датчиков температуры

Влияние температуры на электрофизические параметры полупроводников в основном проявляются в изменении концентрации носителей заряда, что приводит к соответствующему изменению электрической проводимости. На этом принципе работают полупроводниковые терморезисторы. В качестве полупроводниковых датчиков температуры также используются диоды и транзисторы, где изменение концентрации носителей заряда приводит к изменению тока, протекающего через полупроводниковый прибор.

Термопреобразователи сопротивления

Принцип действия термопреобразователей сопротивления (терморезисторов) основан на изменении электрического сопротивления проводников и полупроводников в зависимости от температуры. Материал, из которого изготавливается такой датчик, должен обладать высоким температурным коэффициентом сопротивления, по возможности линейной зависимостью сопротивления от температуры, хорошей воспроизводимостью свойств и инертностью к воздействиям окружающей среды. В наибольшей степени всем указанным свойствам удовлетворяет платина; в чуть меньшей – медь.

Платиновые терморезисторы предназначены для измерения температур в пределах от – 260 до 1100 °С. В диапазоне температур от 0 до 650 °С их используют в качестве образцовых и эталонных средств измерений, причем нестабильность градуировочной характеристики таких преобразователей не превышает 0,001 °С.

Зависимость сопротивления платиновых терморезисторов от температуры определяется следующими формулами:

Rt = R_o(l + At + Bt²) при 0 < t < 650 °С;

Rt = R_o[l + At + Bt² + Ct³(t – 100)] при – 200 < t < 0 °C,

где Rt – сопротивление терморезистора при температуре t, °С; R_o – сопротивление при 0°С; А = 3,96847*10^-3 (⁰С)^-1; В = -5,847*10^-7(°С)^-2; С = -4.22*10^-12(⁰С)^-4.

Платиновые терморезисторы обладают высокой стабильностью и воспроизводимостью характеристик. Их недостатками являются высокая стоимость и нелинейность функции преобразования. Поэтому они используются для точных измерений температур в соответствующем диапазоне.

Широкое распространение на практике получили более дешевые медные терморезисторы, имеющие линейную зависимость сопротивления от температуры:

R_t = R_o(l + at) при -50 < t <180 °С,

где а = 4.26*10^-3(°С)^-1.

Недостатком меди является небольшое ее удельное сопротивление и легкая окисляемость при высоких температурах, вследствие чего конечный предел применения медных термометров сопротивления ограничивается температурой 180 °С. По стабильности и воспроизводимости характеристик медные терморезисторы уступают платиновым.

Тепловая инерционность стандартных термометров сопротивления характеризуется показателем тепловой инерции (постоянной времени), значения которого лежат в пределах от десятков секунд до единиц минут. Постоянная времени специально изготавливаемых малоинерционных термометров сопротивления может быть уменьшена до 0,1 с.

Находят применение также никелевые термометры сопротивления. Никель имеет относительно высокое удельное сопротивление, но зависимость его сопротивления от температуры линейна только до температур не выше 100 °С, температурный коэффициент сопротивления никеля в этом диапазоне равен 6,9*10^-3(°С)^-1.

Медные и никелевые терморезисторы выпускают также из литого микропровода в стеклянной изоляции. Микропроволочные терморезисторы герметизированы, высокостабильны, малоинерционны и при малых габаритных размерах могут иметь сопротивления до десятков килоом.

По сравнению с металлическими терморезисторами более высокой чувствительностью обладают полупроводниковые терморезисторы (рис. 3.1).

Они имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления, значение которого при 20 °С составляет (2–8)*10^-2(°С)^-1, т.е. на порядок больше, чем у меди и платины. Полупроводниковые терморезисторы при весьма малых размерах имеют высокие значения сопротивления (до 1 МОм). Для измерения температуры наиболее распространены полупроводниковые терморезисторы типов КМТ (смесь окислов кобальта и марганца) и ММТ (смесь окислов меди и марганца).

Термисторы имеют линейную функцию преобразования, которая описывается следующей формулой:

R_t = Ae^B/T,

где Т – абсолютная температура, А – коэффициент, имеющий размерность сопротивления, В - коэффициент, имеющий размерность температуры.

Серьезным недостатком термисторов, не позволяющим с достаточной точностью нормировать их характеристики при серийном производстве, является плохая воспроизводимость характеристик (значительное отличие характеристик одного экземпляра от другого).

Полупроводниковые датчики температуры обладают высокой стабильностью характеристик во времени и применяются для изменения температур в диапазоне от – 100 до 200 °С.

Измерительная схема с участием термопреобразователей сопротивления чаще всего является мостовой; уравновешивание моста осуществляется с помощью потенциометра. При изменении сопротивления терморезистора соответственно изменяется положение движка потенциометра, положение которого относительно шкалы формирует показание прибора; шкала градуируется непосредственно в единицах температуры. Недостатком такой схемы включения является вносимая проводами подключения терморезистора погрешность; поскольку из-за изменения сопротивления проводов при изменении температуры окружающей среды компенсация указанной погрешности невозможна, применяют трехпроводную схему включения проводов, при использовании которой сопротивления подводящих проводов оказываются в различных ветвях, и их влияние значительно уменьшается.

На рис.3.2 приведены схемы соединений внутренних проводников ТС с ЧЭ и их условные обозначения.

При использовании схемы 2 (двухпроводная схема) сопротивление соединительных проводов ТС не должно превышать 0,1 % номинального значения сопротивления термопреобразователя при 0°С. В двухпроводной схеме к сопротивлению ЧЭ добавлено сопротивление соединительных проводников, что приводит к сдвигу характеристики при 0°С и уменьшению W100.

На практике эта проблема решается за счет измерительного прибора, к которому подключается ТС, путем задания соответствующих корректировок по смещению и наклону характеристики.

Термопреобразователь с двухпроводной схемой подключения внутренних проводников может подключаться к прибору по трехпроводной схеме с использованием трехжильного кабеля.

При использовании термопреобразователей сопротивления с трехпроводной схемой подключения, прибор автоматически вычитает из сопротивления полной цепи сопротивление соединительных проводов. Сопротивление внутренних проводов и жил кабеля при этом должны быть между собой одинаковы.

Если входная электрическая схема прибора представляет собой мост, в одно плечо которого подключается ТС, то достаточно, чтобы были одинаковы сопротивления двух проводов: 1 и 2.

Наиболее точные ТС имеют четырехпроводную схему подключения. Для этой схемы не требуется равенство в сопротивлениях проводников. Каждый конкретный тип термопреобразователя имеет свой более узкий по сравнению с приведенным в таблице основных характеристик диапазон измеряемой температуры. Это связано с технологией сборки ТС и применяемыми при этом материалами.

Необходимо помнить, что для точного измерения температуры вся погружаемая часть ТС должна находиться в измеряемой среде.

На рис.3.4. показана одна из конструкций термопреобразователя сопротивления.

Платиновая проволока 1 намотана бифилярно на слюдяной каркас 2, на котором имеются мелкие зубцы. Для изоляции провод закрывается с обеих сторон слюдяными пластинами 3. Для улучшения условий теплообмена чувствительного элемента со средой применяются пластинки 4 С-образного сечения из фольги. Пластинки 2, 3 и 4 скрепляются и плотно вставляются внутрь кожуха 5. Выводы выполняются из серебряной ленты или проволоки и вьюодятся в клеммную коробку 7. С помощью гайки 6 термометр сопротивления крепится к корпусу.

Термоэлектрические преобразователи (термопары)

Принцип действия термопар основан на термоэлектрическом эффекте, заключающемся в том, что в замкнутом контуре, состоящем из двух разнородных проводников (или полупроводников), течет ток, если места спаев проводников имеют различные температуры. Если взять замкнутый контур, состоящий из разнородных проводников (термоэлектродов), то на их спаях возникнут термоЭДС E(t) и E(t_o), зависящие от температур этих спаев t и t_o. Так как эти термоЭДС оказываются включенными встречно, то результирующая термоЭДС, действующая в контуре, равна E(t) – E(t_o).

При равенстве температур обоих спаев результирующая термоЭДС равна нулю. Спай, погружаемый в контролируемую среду, называется рабочим концом термопары, а второй спай – свободным.

У любой пары однородных проводников значение результирующей термоЭДС зависит только от природы проводников и от температуры спаев и не зависит от распределения температуры вдоль проводников. Термоэлектрический контур можно разомкнуть в любом месте и включить в него один или несколько разнородных проводников. Если все появившиеся при этом места соединений находятся при одинаковой температуре, то результирующая термоЭДС, действующая в контуре, не изменяется. Это используется для измерения термоЭДС термопары. Создаваемая термопарами ЭДС сравнительно невелика: она не превышает 8 мВ на каждые 100 °С и обычно не превышает по абсолютной величине 70 мВ.

Термопары позволяют измерять температуру в диапазоне от –200 до 2200 °С. Для измерения температур до 1100 °С используют в основном термопары из неблагородных металлов, для измерения температур от 1100 до 1600 °С – тер-мопары из благородных металлов и сплавов платиновой группы, а для измерения более высоких температур – термопары из жаростойких сплавов (на основе вольфрама).

Наибольшее распространение для изготовления термоэлектрических преобразователей получили платина, платинородий, хромель, алюмель.

При измерениях температуры в широком диапазоне учитывается нелинейность функции преобразования термоэлектрическогго преобразователя. Так, например, функция преобразования медьконстантановых термопар в диапазоне температур от –200 до 300 °С с погрешностью ± 2 мкВ описывается эмпирической формулой

Е = At² + Bt + С,

где А, В и С – постоянные, определяемые путем измерения термоЭДС при трех известных температурах, t – температура рабочего спая при °С.

Постоянная времени термоэлектрических преобразователей зависит от их конструкции и качества теплового контакта рабочего спая термопары со средой и для промышленных термопар исчисляется в минутах. Однако известны конструкции малоинерционных термопар, у которых постоянная времени лежит в пределах 5–20 секунд и ниже.

Электроизмерительный прибор (милливольтметр) или измерительный усилитель термоЭДС могут подключаться к контуру термопары двумя способами: в свободный конец термопары или в один из термоэлектродов; выходная термоЭДС от способа подключения измерительных устройств не зависит.

Как указано выше, при измерении температуры свободные концы термопары должны находиться при постоянной температуре, но как правило, свободные концы термопары конструктивно выведены на зажимы на ее головке, а следовательно, расположены в непосредственной близости от объектов, температура которых измеряется. Чтобы отнести эти концы в зону с постоянной температурой, применяются удлиняющие провода, состоящие из двух жил, изготовленных из металлов или сплавов, имеющих одинаковые термоэлектрические свойства с термоэлектродами термометра.

Для термопар из неблагородных металлов удлиняющие провода изготавливаются чаще всего из тех же материалов, что и основные термоэлектроды, тогда как для датчиков из благородных металов в целях экономии удлиняющие провода выполняются из материалов, развивающих в паре между собой в диапазоне температур 0–150 °С ту же термоЭДС, что и электроды термопары. Так, для термопары платина – платинородий применяются удлинительные термоэлектроды из меди и специального сплава, образующие термопару, идентичную по термоЭДС термопаре платина-платинородий в диапазоне 0–150 °С. Для термопары хромель – алюмель удлинительные термоэлектроды изготавливаются из меди и константана, а для термопары хромель – копель удлинительными являются основные термоэлектроды, но выполненные в виде гибких проводов. При неправильном подключении удлинительных термоэлектродов возникает существенная погрешность.

В лабораторных условиях температура свободных концов термопары поддерживается равной 0 °С путем помещения их в сосуд Дьюара, наполненный истолченным льдом с водой. В производственных условиях температура свободных концов термопары обычно отличается от 0 °С. Так как градуировка термопар осуществляется при температуре свободных концов 0 °С, то это отличие может явиться источником существенной погрешности; для уменьшения указанной погрешности, как правило, вводят поправку в показания термометра. При выборе поправки учитываются как температура свободных концов термопары, так и значение измеряемой температуры (это связано с тем, что функция преобразования термопары нелинейна); это затрудняет точную коррекцию погрешности.

На практике для устранения погрешности широкое применение находит автоматическое введение поправки на температуру свободных концов термопары. Для этого в цепь термопары и милливольтметра включается мост, одним из плеч которого является медный терморезистор, а остальные образованы манганиновыми терморезисторами. При температуре свободных концов термопары, равной 0 °С, мост находится в равновесии; при отклонении температуры свободных концов термопары от 0 °С напряжение на выходе моста не равно нулю и суммируется с термоЭДС термопары, внося поправку в показания прибора (значение поправки регулируется специальным резистором). Вследствие нелинейности функции преобразования термопары, полной компенсации погрешности не происходит, но указанная погрешность существенно уменьшается.

В лабораторных условиях для точного измерения термоЭДС применяются лабораторные и образцовые компенсаторы постоянного тока с ручным уравновешиванием.

Пирометры

Серьезным недостатком рассмотренных выше термопреобразователей сопротивления и термоэлектрических преобразователей является необходимость введения датчика в контролируемую среду, в результате чего происходит искажение исследуемого температурного поля. Кроме того, непосредственное воздействие среды на датчик ухудшает стабильность его характеристик, особенно при высоких и сверхвысоких температурах и в агрессивных средах. От этих недостатков свободны пирометры – бесконтактные датчики, основанные на использовании излучения нагретых тел.

Тепловое излучение любого тела можно характеризовать количеством энергии, излучаемой телом с единицы поверхности в единицу времени и приходящейся на единицу диапазона длин волн. Такая характеристика представляет собой спектральную плотность и называется спектральной светимостью (интенсивностью монохроматического излучения).

Законы температурного излучения определены совершенно точно лишь для абсолютно черного тела. Зависимость спектральной светимости абсолютно черного тела от температуры и длины волны выражается формулой:

R_a = A_a^-5(e^B/(aT) – l)^-1,

где a – длина волны, Т – абсолютная температура, А и В – постоянные.

Интенсивность излучения любого реального тела всегда меньше интенсивности абсолютно черного тела при той же температуре. Уменьшение спектральной светимости реального тела по сравнению с абсолютно черным учитывают введением коэффициента неполноты излучения; его значение различно для разных физических тел и зависит от состава вещества, состояния поверхности тела и других факторов.

Использующие энергию излучения нагретых тел пирометры делятся на радиационные, яркостные и цветовые.

Радиационные пирометры используются для измерения температуры от 20 до 2500 °С, причем прибор измеряет интегральную интенсивность излучения реального объекта; в связи с этим при определении температуры необходимо учитывать реальное значение коэффициента неполноты излучения.

В типичный радиационный пирометр входит телескоп, состоящий из объектива и окуляра, внутри которого расположена батарея из последовательно соединенных термопар. Рабочие концы термопар находятся на платиновом лепестке, покрытом платиновой чернью. Телескоп наводится на объект измерения так, чтобы лепесток полностью перекрывался изображением объекта и вся энергия излучения воспринималась термобатареей. ТермоЭДС термобатареи является функцией мощности излучения, а следовательно, и температуры тела.

Радиационные пирометры градуируются по излучению абсолютно черного тела, поэтому неточность оценки коэффициента неполноты излучения вызывает погрешность измерения температуры.

Яркостные (оптические) пирометры используются для измерения температур от 500 до 4000 °С. Они основаны на сравнении в узком участке спектра яркости исследуемого объекта с яркостью образцового излучателя

(фотометрической лампы). Фотометрическая лампа встроена в телескоп, имеющий объектив и окуляр. При измерении температуры телескоп направляют на исследуемое тело и добиваются четкого изображения тела и нити фотометрической лампы в одной плоскости. Затем, изменяя яркость нити путем изменения тока через нее (или изменяя яркость изображения тела с помощью перемещаемого оптического клина), добиваются одинаковой яркости изображения нити и исследуемого объекта. Если яркость тела больше яркости нити, то нить видна в виде черной линии на ярком фоне. В противном случае заметно свечение нити на более бледном фоне. При равенстве яркостей нить не видна, поэтому такие пирометры называют также пирометрами с исчезающей нитью.

Напряжение накала лампы (или положение оптического клина) характеризует температуру нагретого тела; для сравнения интенсивностей излучения лишь в узком диапазоне спектра используется специальный светофильтр.

Яркостные пирометры обеспечивают более высокую точность измерений температуры, чем радиационные. Их основная погрешность обусловлена неполнотой излучения реальных физических тел и поглощением излучения промежуточной средой, через которую производится наблюдение.

Цветовые пирометры основаны на измерении отношения интенсивностей излучения на двух длинах волн, выбираемых обычно в красной или синей части спектра; они используются для измерения температуры в диапазоне от 800 до °С. Обычно цветовой пирометр содержит один канал измерения интенсивности монохроматического излучения со сменными светофильтрами.

Главным преимуществом цветовых пирометров является то, что неполнота излучения исследуемого объекта не вызывает погрешности изменения температуры. Кроме того, показания цветовых пирометров принципиально не зависят от расстояния до объекта измерения, а также от коэффициента

излучения в промежуточной среде, если коэффициенты поглощения одинаковы для обеих длин волн.

Кварцевые термопреобразователи

Для измерения температур от –80 до 250 °С часто используются так называемые кварцевые термопреобразователи, использующие зависимость собственной частоты кварцевого элемента от температуры. Работа данных датчиков основана на том, что зависимость частоты преобразователя от температуры и линейность функции преобразования изменяются в зависимости от ориентации среза относительно осей кристалла кварца.

Кварцевые термопреобразователи имеют высокую чувствительность (до 10³ Гц/К), высокую временную стабильность (2*10^-2 К/год) и разрешающую способность 10^-4 – 10^-7 К, что и определяет перспективность. Данные датчики широко используются в цифровых термометрах.

Шумовые датчики

Действие шумовых термометров основано на зависимости шумового напряжения на резисторе от температуры. Данная зависимость определяется формулой:

где  – средний квадрат напряжения шума, К – постоянная Больцмана, Т –абсолютная температура, R – сопротивление резистора,  – полоса воспринимаемых частот.

Практическая реализация метода измерения температуры на основе шумовых резисторов заключается в сравнении шумов двух идентичных резисторов, один из которых находится при известной температуре, а другой – при измеряемой. Шумовые датчики используются, как правило, для измерения температур в диапазоне –270 – 1100 °С.

Достоинством шумовых датчиков является принципиальная возможность измерения термодинамической температуры на основе указанной выше закономерности. Однако это значительно осложняется тем, что среднее квадратическое значение напряжения шумов очень трудно измерить точно вследствие его малости и сопоставимости с уровнем шума усилителя.

ЯКР-датчики

ЯКР-термометры (термометры ядерного квадрупольного резонанса) основаны на взаимодействии градиента электрического поля кристаллической решетки и квадрупольного электрического момента ядра, вызванного отклонением распределения заряда ядра от сферической симметрии. Это взаимодействие обусловливает прецессию ядер, частота которой зависит от градиента электрического поля решетки и для различных веществ имеет значения от сотен килогерц до тысяч мегагерц. Градиент электрического поля решетки зависит от температуры, и с повышением температуры частота ЯКР снижается.

Датчик ЯКР-термометра представляет собой ампулу с веществом, заключенную внутрь катушки индуктивности, включенной в контур генератора. При совпадении частоты генератора с частотой ЯКР происходит поглощение энергии от генератора. Погрешность измерения температуры –263 °С составляет ± 0.02 °С, а температуры 27 °С – ± 0.002 °С.

Достоинством ЯКР-термометров является его неограниченная во времени стабильность, а недостатком – существенная нелинейность функции преобразования.

Динамометрические преобразователи

Динамометрические (объемные) датчики измерения температуры основаны на явлении расширения (сжатия) твердых тел, жидкостей или газов при увеличении (уменьшении) температуры.

Температурный диапазон работы преобразователей, основанных на расширении твердых тел, определяется стабильностью свойств материалов при изменении температуры. Обычно с помощью таких преобразователей измеряют температуры в диапазоне –60–400 °С. Погрешность преобразования составляет 1–5 %. Температурный диапазон работы преобразователя с расширяющейся жидкостью зависит от температур замерзания и кипения последней (для ртути – –39–357 °С, для амилового спирта – –117–132 °С, для ацетона – –94–57 °С. Погрешности жидкостных преобразователей составляют 1–3 % и в значительной степени зависят от температуры окружающей среды, изменяющей размеры капилляра. Нижний предел измерения преобразователей, использующих в качестве рабочей среды газ, ограничивается температурой сжижения газа ( –195 °С для азота, –269 °С для гелия), верхний же – лишь теплостойкостью баллона.

Акустические датчики

Акустические термометры основаны на зависимости скорости распространения звука в газах от их температуры и используются в основном диапазоне средних и высоких температур. Акустический термометр содержит пространственно разнесенные излучатель акустических волн и их приемник, обычно включаемые в цепь автогенератора, частота колебаний которого меняется с изменением температуры; обычно такой датчик использует и различного типа резонаторы.

Раздел 4. Расчет общих факторов температурных измерений и термопреобразователей сопротивления

Температурные шкалы

По современным представлениям температура – это условная статистическая величина, прямо пропорциональная средней кинетической энергии частиц вещества (молекул либо, при атомарной структуре, атомов).

Представление о порядке величин могут дать следующие данные. В 1 мл газа при атмосферном давлении содержится 2,7 х 10¹⁹ молекул, имеющих размеры порядка 10^-8см. Они движутся при комнатной температуре со средней скоростью около 1 км/сек и пробегают между столкновениями примерно 10^-6см.

Еще Кельвин показал, что если одному какому-либо значению средней кинетической энергии частиц присвоить определенное число градусов, то ее достаточно для построения линейной бесконечной температурной шкалы от абсолютного нуля. Тогда равным приращениям средней кинетической энергии частиц будет соответствовать одинаковое приращение числа градусов температуры. Прямая, изображающая такую шкалу в системе координат температура – энергия, проходит через начало координат, так как абсолютному нулю температур соответствует нулевая скорость частиц и нулевая средняя кинетическая энергия.

Количественная связь предложенной Кельвином шкалы температур с средней кинетической энергией частиц выражается уравнением

отсюда

,

где m, v – средние масса и скорость частиц;

Т – абсолютная температура;

к – постоянная Больцмана, равная 1,38-Ю-23 дж/град.

В качестве реперной точки шкалы Кельвина принята в настоящее время температура равновесия между твердой, жидкой и парообразной фазами чистой воды при нормальных условиях. Этой точке присвоено число градусов, равное 273,16°К.

Для практических целей употребляется Международная практическая температурная шкала 1948 г. Температуры по ней выражаются в градусах Цельсия, обозначаемых °С. За нуль принята точка таяния льда, лежащая ниже «тройной точки воды» всего на 0,01° С.

Для пересчета температуры, выраженной в градусах 100-градусной шкалы, на значения температуры по международной термодинамической шкале следует пользоваться равенством Т°К = t°C + 273,15,

где Т и t – условные обозначения температуры, измеренной в градусах Кельвина и градусах Цельсия.

В шкале Фаренгейта (обозначение °Р) точка таяния льда обозначена 32° F, точка кипения воды 212° F; расстояние между ними разбито на 180 равных частей. За нуль шкалы принята температура холодильной смеси определенного состава. Шкала применяется в США, Австралии и Канаде.

Теплообмен среды и термометра

Любой измеритель температуры независимо от его конструкции часто называют термометром. При измерении температуры среды путем

погружения в нее какого-либо термометра он всегда измеряет только свою собственную температуру. Будет ли температура термометра равна температуре среды, близка к ней или же разница температур будет значительной, зависит от многих условий. Поэтому при монтаже измерителя температуры необходимо убедиться в том, что условия измерения обеспечивают минимально возможную разность между температурой среды и термометра.

Основные факторы теплообмена между средой и погруженной в нее частью термометра при промышленных измерениях следующие:

а) влияние теплового потока по арматуре термометра (т. е. влияние теплопроводности);

б) влияние лучеиспускания;

в) влияние положения измерителя температуры относительно потока среды;

г) динамические погрешности из-за тепловой инерции.

Влияние теплопроводности

Если измеритель температуры погружен в среду целиком, то через него не подводится и не отводится тепло к месту измерения.

В большинстве случаев термопреобразователь сопротивления находится на границе двух сред с разными температурными полями. Поэтому сам термопреобразователь или соприкасающиеся с ним элементы являются каналом теплообмена.

Теплообмен термопреобразователя с измеряемой средой зависит также от условий обтекания, микрогеометрии и цвета поверхности, интенсивности лучистого теплообмена и других конкретных условий.

Существенное значение имеют также масса, поверхность и теплоемкость самого термопреобразователя, определяющие его тепловую инерцию.

Сложный динамический характер теплового взаимодействия термопреобразователя и среды определяет величину погрешности собственно датчика.

Значительные погрешности возникают в термопреобразователях, помещенных в металлический чехол или гильзу. На рис.4.1. показан случай измерения термометром, погруженным в гильзу.

Рассмотрим возникающую здесь погрешность. Обозначим: t_н – истинная температура среды; t₁ – температура в конце гильзы (показание термометра); t₀ –температура гильзы у ее верха; 1 – длина гильзы, м; а – коэффициент теплоотдачи от среды к гильзе, ккал/м² • ч • град; l – коэффициент теплопроводности материала гильзы, ккал/м * ч • град; f – площадь поперечного сечения гильзы, м²; U = pd, где d – наружный диаметр гильзы, м.

Обозначим  через m,

тогда

Влияние лучеиспускания

При измерениях в газовых средах часто вблизи термопреобразователя находятся поверхности, температура которых заметно отличается от температуры преобразователя. В этом случае между этими поверхностями и термометром происходит лучистый теплообмен, описываемый законом Стефана-Больцмана. Если температура окружающих поверхностей выше температуры термометра, то термометр получит путем лучеиспускания дополнительное количество тепла и тепловое равновесие будет поддерживаться на более высоком уровне.

Наличие лучеиспускания всегда вносит погрешность в измерения температур, но устранить его полностью зачастую оказывается сложно.

Рассмотрим влияние лучеиспускания на термометр, погруженный в трубопровод (рис.4.2.). Считая, что тепловое равновесие установилось, обозначим:

t_ср – температура среды в трубопроводе, °С;

t_т – температура термометра, °С;

t_{ст –} температура стенки трубы, °С;

Соответствующие абсолютные температуры (t+273,15) обозначим через Т_ср; Т_т; Т_ст (⁰К).

,

где a₁, – коэффициент теплоотдачи от среды к термометру, ккал/м²*час*град;

С₁ – константа лучеиспускания для материала чехла термометра, ккал/м²*ч*град⁴.

Влияние скорости потока

В неподвижной среде недостаточный теплообмен среды с термометром может быть источником погрешностей измерения. Наличие интенсивного омывания чувствительной части термометра потоком способствует правильному измерению. Можно в среднем считать, что для умеренных скоростей (примерно до 70 м/сек)

где а – коэффициент теплоотдачи от среды к чехлу термометра ккал/м²*ч*град;

к – коэффициент пропорциональности;

V – скорость среды, м/сек.

Следовательно, увеличение скорости среды, например, вдвое повысит коэффициент теплоотдачи а на , т.е. на 41 %

Обозначим дополнительно: Q – отвод тепла от термометра во внешнюю среду, ккал/сек;

k₁ – коэффициент пропорциональности; F – поверхность термометра, погруженная в среду, м²;

t_c – температура среды, °С;

t – температура термометра, °С.

В установившемся состоянии .

В настоящее время в технике все чаще применяются очень большие скорости потоков, приближающиеся к скорости звука в среде и превосходящие ее. В этих случаях начинает появляться нежелательное влияний скорости потока. Ударяясь о поверхность термоприемника, часть потока тормозится, и ее кинетическая энергия переходит в тепло, увеличивающее температуру теплоприемника т.е. создается состояние, когда t>t|_c.

Эта разность температур выражается:

,

где g – ускорение земного тяготения, м/сек²; I – механический эквивалент тепла (426,4 кг/*м/ккал); с_р – теплоемкость среды; r – коэффициент пропорциональности.

Влияние инерции

Погрешности в показаниях термометров от тепловой инерции могут быть сведены к трем случаям.

Первый случай – погружение термометра в более холодную или горячую среду постоянной температуры (рис.4.4, а). Погрешность вначале очень велика, но через некоторое время уменьшается до малой величины. Время, которое следует выждать до отсчета, может быть определено аналитически.

Второй случай (рис.4.4,б) – когда среда изменяет свою температуру на определенную величину с большей скоростью, чем термоприемник. Во время переходного процесса возникает временная погрешность в показаниях, которая затем исчезает. Величина этой погрешности зависит от инерционных свойств термоприемника.

Третий случай – когда температура среды изменяется по периодическому закону либо колеблется непрерывно по произвольному закону (рис. 4.4,в).

Г.М. Кондратьев создал теорию, позволяющую вычислить запаздывание в показаниях любого термометра.

Пусть Ф – отношение тепла, аккумулированного чувствительной частью термометра на 1°С к ее поверхности, т.е.

,

где V – объем чувствительной части термометра, см³;

y – плотность материала, г/см³;

с – теплоемкость, кал/г;

S – поверхность, см².

Тогда

,

где а – коэффициент теплоотдачи от среды, ккал/м2*ч*град;

 – показатель тепловой инерции термометра, мин;

 – переводной коэффициент для размерностей.

4.2 Расчет термопреобразователей сопротивления   Отклонение характеристики термопреобразователя сопротивления от стандартной

Температурная характеристика термометра сопротивления может отличаться от градуировочной таблицы в зависимости от точности подгонки сопротивления термометра при нулевой температуре и от чистоты металла термосопротивления. Чистоту металла принято определять отношением , где R₁₀₀ и R₀ сопротивления термометра соответственно при 100 и 0°С.

Допустимые отклонения R₀и , от номинального значения, установленные для технических термометров, приведены в табл. 4.1. Влияние этих допустимых отклонений на результат измерения сказывается тем больше, чем выше измеряемая температура (табл. 4.2).

Для платиновых термометров сопротивления II класса ошибка при температуре 500°С может быть до 2,5°С.

Подбор терморезисторов

Терморезисторы обычно подбирают по номинальному значению сопротивления при температуре 20°С (R₂₀) – Температурная характеристика терморезистора описывается выражением ,

где R₂₀ – начальное сопротивление терморезистора при температуре 20°С

e – основание натуральных логарифмов;

В – постоянный коэффициент, °К;

Т – температура, °К. Промышленность выпускает терморезисторы с допуском на начальное сопротивление R20 ±20 %, на температурный коэффициент ±8 % и на коэффициент температурной характеристики В ±17 %.

Для подбора полупроводниковых терморезисторов с одинаковыми характеристиками необходимо измерить, их сопротивление при 20° С – R₂₀ и при 100°C (R₁₀₀).

По значениям R₂₀ и R₁₀₀ можно также рассчитывать и строить температурные характеристики , Коэффициент В определяется по формуле

Влияние температуры окружающей среды

Провода, соединяющие термометр сопротивления с измерительным прибором, изготовляются обычно из меди. При изменении температуры окружающей среды их сопротивление меняется. Это вносит дополнительную погрешность в результаты измерения. Чтобы избежать появления этой погрешности часто применяют трехпроводную схему включения термометра сопротивления.

Каждый из соединительных проводов в этом случае оказывается включенным в противоположное плечо моста. Изменение сопротивления проводов приводит к изменению сопротивления обоих противоположных плеч. Полностью влияние соединительных проводов при трехпроводной схеме устраняется только в случае, если сопротивления обеих соединительных линий одинаковы и мост симметричный, т. е. R1=R2. Также применяется четырехпроводная схема включения термопреобразователя, которая в симметричном мосте исключает влияние сопротивления соединительных проводов независимо от равенства их сопротивлений.

При двухпроводной схеме включения термопреобразователя погрешность может быть подсчитана, если известны градуировка термометра, температура окружающей среды и сопротивление соединительных проводов при нормальной температуре (20°С).

Пересчет величины сопротивления проводов при нормальной температуре R₂₀ на сопротивление при данной температуре производится по формуле .

Если соединительные провода медные (температурный коэффициент а=0,004), подсчет может производиться по формуле .

Проверка основной погрешности термопреобразователя сопротивления

Количество отсчетов при каждом значении температуры – не менее 4.

Значение температуры рассчитывается по формуле

,

где n – число измерений;

t_i – значение температуры, измеряемой термопреобразователем, °С. Основную погрешность вычисляют по формуле ,

где t_d – действительное значение температуры, измеряемое эталонным средством.

Раздел 5. Опытное применение интеллектуальных датчиков ПГ «Метран» 5.1 Разработка интеллектуальных датчиков ПГ «Метран»

Температура – важнейший параметр технологических процессов многих отраслей промышленности. Внедрение прогрессивных технологий повышает требования к точности измерений температуры. Одновременно с этим усложнение процессов производства заставляет расширять диапазоны измерений температуры и изыскивать новые методы ее измерений в более сложных производственных условиях.

Понятие «новизны в термометрии ПГ «Метран»» связала с разработкой новых конструкций и применением новых материалов и технологий.

Технология изготовления термоэлектрических преобразователей из термопарного кабеля КТМС с применением импульсной лазерной сварки рабочего спая ранее использовалась только на предприятиях атомной энергетики и военной промышленности и была закрыта для широкого использования. В настоящее время кабельные термопреобразователи стали доступны для применения в различных отраслях промышленности и научных исследованиях.

Именно на базе термопарного кабеля и лазерной сварки ПГ «Метран» была разработана серия термопреобразователей ТХА/ТХК Метран-200.

В номенклатуру продукции вошли также термопреобразователи сопротивления медные (50М, 100М) и платиновые (50П, 100П, РПОО, Р1500, Р11000) разных конструкций, с одним и двумя чувствительными элементами.

За эти годы освоено производство как самых простых термопар и термометров сопротивления, так и современных микропроцессорных датчиков температуры.

Например, ПГ «Метран» предлагает датчики температуры с унифицированными выходными сигналами серии Метран-270, Метран-270МП имеющими широкий модельный ряд, включающий общепромьштенное, взрывозащищенное(Ех1а,Ехф исполнения и 15 вариантов защитной арматуры.

Применение этой серии датчиков дает возможность построения АСУ ТП без дополнительных нормирующих преобразователей.

Микропроцессорный преобразователь датчиков Метран-270МП позволяет перенастраивать диапазон измерений и перепрограммировать номинальную статическую характеристику в случае замены чувствительного элемента на другой тип.

Российские интеллектуальные датчики температуры Метран-280 с поддержкой коммуникационного протокола НАРТ, позволяют создавать глобальные АСУ ТП с минимальными затратами.

Микропроцессорная электроника Метран-280 позволяет повысить точность измерений. Одновременно технология НАРТ-протокола позволяет по одной паре проводов передавать и аналоговый 4-20 мА, и цифровой сигналы, что дает возможность использовать уже имеющиеся коммуникации для аналоговых сигналов.

Мы можем дистанционно принимать необходимую информацию от полевых датчиков Метран-280 и осуществлять диагностику и настройку, используя для этого коммуникатор Метран-650 или компьютер с программным обеспечением H-Master. Приведенные функции особенно высоко оцениваются, когда датчики расположены в труднодоступных местах и на больших расстояниях друг от друга.

Непрерывная самодиагностика Метран-280 обеспечивает оперативность проведения ремонтных и профилактических работ, т.к. в случае неисправности датчик немедленно выдает сигнал о возникновении нештатной ситуации (сбоя) в конкретном блоке. Также немаловажен экономический эффект от эксплуатации датчиков с микропроцессорами из-за быстрой окупаемости первоначальных вложений и минимальной стоимости владения.

5.2 Преобразователи температуры «Метран-280»

ИНГ состоит из первичного преобразователя температуры и электронного модуля (ЭМ) с выходными сигналами:

– аналоговым 4-20 мА:

– цифровым HART версии 5 с физическим интерфейсом Bell-202.

ИНГ имеют термоэлектрический хромель-алюмелевый (ТХА) чувствительный элемент (ЧЭ) или резистивный платиновый ЧЭ (ТСП).

Измеряемый параметр – температура в ИНГ Метран-286 с помощью ГОТГ преобразуется в изменение омического сопротивления платинового ЧЭ. Аналоговый сигнал поступает на вход ЭМ, преобразуется с помощью аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) в дискретный сигнал. Дискретный сигнал с помощью микропроцессорного преобразователя (МП) обрабатывается с целью:

– линеаризации НСХ ЧЭ 11111;

– перестройки диапазонов измерения в пределах рабочего диапазона температур;

– самодиагностики составляющих узлов ЭМ;

– детектирования обрыва или короткого замыкания ППТ.

С выхода МП дискретный сигнал поступает на цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), осуществляющий преобразование дискретного сигнала в унифицированный токовый аналоговый сигнал 4-20 мА, а также на блок частотного модулятора, преобразующий дискретный сигнал в частотно модулированный и наложенный на аналоговый сигнал.

В ИНГ Метран-281 измерение температуры основано на явлении возникновения в цепи термопреобразователя термоэлектродвижущей силы при разности температур между его рабочим и свободными спаями. В ЭМ дополнительно к описанным выше функциям происходит компенсация изменения температуры холодных спаев.

5.3 Hart modem «Метран-681»

HART модем Метран-681 (далее модем) предназначен для согласования (связи) персонального компьютера или средств автоматизированных систем управления технологическими процессами с интеллектуальными датчиками давления Метран-100, интеллектуальными преобразователями температуры Метран-280 и другими устройствами, поддерживающими HART протокол.

Конструктивно HART модем Метран-681 выполняется для монтажа на DIN-рейку.

Модем взрывозащищенного исполнения может применяться с датчиками, установленными во взрывоопасных зонах, в которых возможно образование взрывоопасных, смесей газов, паров, горючих жидкостей с воздухом. При этом модем устанавливается во взрывобезопасных помещениях. Модем имеет особовзрывобезопасный уровень, обеспечиваемый видом взрывозащиты по ГОСТ Р 51330.10 «искробезопасная электрическая цепь» (ia) с маркировкой по ГОСТ Р 51330.0 ExialICT5 X.

Вид климатического исполнения модема – УХЛ3.1 по ГОСТ 15150, но для работы при температуре от 0 до 50 °С.

5.4 Конфигуратор «Метран-671»

Конфигуратор Метран-671 предназначен для обеспечения связи нормирующих микропроцессорных преобразователей Метран 642, Метран 643 с персональным компьютером при проведении их настройки и калибровки. Конфигуратор обеспечивает связь микропроцессорного нормирующего термопреобразователя с персональным компьютером типа IBM PC по последовательному интерфейсу RS-232.

5.5 Обработка результатов измерений

На рис. 5.2. приведена схема внешних электрических соединений ИНТ «Метран-286», HART-модема и ПК.

Для работы с получаемыми данными применяется конфигурационная программа Н – Master,имеющая удобный пользовательский интерфейс на русском языке (рис.5.3) и позволяющая выполнять:

– считывание переменных процесса;

– считывание информации о HART-устройстве и сенсоре;

– тест устройства;

– настройку HART-устройства и сенсора;

– настройку ЦАП;

– архивирование параметров.