Принципы работы восьми наиболее распространенных приборов для измерения температуры и правила их установки!

Thread Content

Последнее изменение в этом посте было сделано компанией Xi’an Dinghua Electronics 23.03.2016 в 10:23. Краткое содержание: В данной статье подробно рассматриваются 8 наиболее часто используемых приборов для измерения температуры в химической промышленности. Рассматриваются принципы их работы, требования к монтажу, а также вопросы, на которые необходимо обращать внимание при выборе и использовании этих приборов. Также описывается состав этих приборов. Статья предназначена для того, чтобы помочь специалистам в их будущей работе за счет теоретических знаний и практического опыта Принцип работы биметаллического термометра: Принцип действия биметаллического термометра основан на использовании двух металлов с разными коэффициентами теплового расширения. Для повышения чувствительности измерения листы металла обычно формируют в виде спирали. Когда температура меняется, разные слои металла расширяются или сжимаются в разной степени, что приводит к сжатию или расслаблению спирали. Поскольку один конец спиральной пружины закреплен, а другой соединен с стрелкой, которая может свободно вращаться, при изменении температуры двухметаллической пластины стрелка указывает на уровень температуры на круговой шкале. Диапазон измерения температуры таких приборов обычно составляет от -80°C до +500°C, а допустимая погрешность — примерно 1,5% от полного диапазона измерений. Категории: обычные биметаллические термометры, ударостойкие биметаллические термометры, электронные биметаллические термометры. В зависимости от направления соединения рукоятки биметаллического термометра с защитной трубкой, его можно разделить на четыре типа: осевой, радиальный, под углом 135° и универсальный. ①Осевой биметаллический термометр: стрелка соединена перпендикулярно с защитной трубкой. ②Радиальный двухметаллический термометр: шкала с стрелкой соединена параллельно защитной трубке. ③Биметаллический термометр с углом наклона 135°: стрелка соединена с защитным корпусом под углом 135°. ④Универсальный биметаллический термометр: угол соединения указателя и защитной трубки можно регулировать произвольно. Выбор и применение: При выборе биметаллического термометра необходимо учитывать реальные условия эксплуатации и требования, такие как диаметр циферблата, класс точности, способ крепления, тип измеряемой среды и степень опасности окружающей среды. Кроме того, следует учитывать такие факторы, как соотношение цены и качества, а также объем работ по обслуживанию. Кроме того, при использовании биметаллических термометров необходимо соблюдать следующие правила: А. Длина погружения защитной трубки биметаллического термометра в измеряемую среду должна быть больше длины чувствительного элемента; как правило, длина погружения составляет более 100 мм. Для диапазона измерений от 0 до 50 °C длина погружения должна быть больше 150 мм, чтобы обеспечить точность измерений. Б. Различные биметаллические термометры не подходят для измерения температуры жидкостей в открытых контейнерах. Термометры с электрическими контактами не следует использовать в системах управления, где наблюдаются сильные вибрации. В. При хранении, использовании, монтаже и транспортировке биметаллических термометров необходимо избегать ударов по защитной трубке; запрещается сгибать и деформировать защитную трубку, а также использовать термометр в качестве гаечного ключа. Д. Термометры в процессе нормальной эксплуатации должны проходить периодическую поверку. Обычно рекомендуется делать это раз в шесть месяцев. Термометр с электрическими контактами не рекомендуется использовать в условиях сильных вибраций, чтобы не повлиять на надежность контактов. Е. Оптимальная температура постоянной работы прибора — это уровень, находящийся в диапазоне от 1/3 до 2/3 шкалы. Принцип работы давочного термометра: Принцип действия давочного термометра основан на зависимости между давлением насыщенного пара испаряющейся жидкости и температурой в закрытой системе измерения температуры, что позволяет определять температуру. Когда термоблок фиксирует изменение температуры, в замкнутой системе образуется насыщенный пар, создающий соответствующее давление. Это приводит к изменению изгиба упругого элемента, в результате чего его свободный конец смещается. Затем механизм увеличения передает это смещение в виде показателя. Состав и классификация: Давочный термометр состоит из чувствительного элемента — термопакета, капилляра для передачи давления и манометра с пружинным механизмом. Если в систему подать газ, например азот, такой прибор называется давочным термометром с нагнетанием газа; предел измерения температуры может достигать 500°C. Зависимость давления от температуры близка к линейной, однако объем термопары велик, что приводит к большой тепловой инерции. При заполнении жидкостью, такой как диметилформамид или метанол, размер термоусадочного элемента уменьшается; диапазоны измерения температуры составляют соответственно от –40°C до 200°C и от –40°C до 170°C. Если в качестве жидкости используется жидкость с низкой температурой кипения, то её насыщенное паровое давление должно изменяться в зависимости от измеряемой температуры; такая жидкость подходит для использования в диапазоне температур от 50°C до 200°C. Однако, поскольку между давлением насыщенного пара и температурой насыщенного пара существует нелинейная зависимость, шкала термометра является неравномерной. Особенности: термоблок необходимо полностью погрузить в исследуемую среду ； Длина капилляра не должна превышать 60 м ； Точность измерений низкая, но устройство простое в использовании и устойчиво к вибрациям. Принцип работы резистивных термометров: принцип измерения температуры с помощью терморезистора основан на свойстве проводников или полупроводников — изменении их электрического сопротивления по мере изменения температуры. С помощью этого свойства можно измерять температуру или другие параметры, связанные с ней. У подавляющего большинства металлов значение сопротивления изменяется с температурой: чем выше температура, тем выше сопротивление, то есть у них положительный коэффициент температурной зависимости сопротивления. У большинства полупроводниковых материалов негативный коэффициент температурной зависимости сопротивления, то есть чем выше температура, тем меньше сопротивление. Требования к составляющим материалам: 1. Стабильные химические и физические свойства в диапазоне измерения температуры ； 2. Хорошая воспроизводимость ； 3. Большой температурный коэффициент сопротивления для достижения высокой чувствительности ； 4. Высокая электропроводность позволяет создавать компоненты небольшого размера ； 5. Температурная характеристика сопротивления должна быть максимально линейной ； 6. Низкая цена. Распространенные элементы термопротивления: к распространенным элементам термопротивления относятся платиновые термопротивления, медные термопротивления и полупроводниковые термисторы. Платиновые термопротивники изготавливаются путем намотки проволоки высокой чистоты из платины; они обладают такими преимуществами, как высокая точность измерения температуры, стабильность характеристик, возможность точного воспроизведения результатов измерений и устойчивость к окислению. Поэтому они широко используются в качестве эталонных приборов, в лабораториях и в промышленности. Однако при высоких температурах он легко загрязняется восстановительной атмосферой, в результате чего платиновая проволока становится хрупкой, а её температурная зависимость сопротивления изменяется; поэтому для его использования необходима защитная гильза. Чистота платиновой нити — ключевой фактор, определяющий точность термометра. Чем выше чистота платиновой проволоки, тем выше её стабильность, лучше воспроизводимость и выше точность измерения температуры. Значение сопротивления медных терморезисторов практически линейно зависит от температуры; коэффициент температурной зависимости сопротивления у них также велик. К тому же они дешевы, поэтому в ситуациях, когда требуется не очень высокая точность измерений, часто используются медные терморезисторы. Однако он легко окисляется в атмосфере при температурах выше 100°C, поэтому чаще используется для измерений в диапазоне температур от –50 до 150°C. Преимущества термисторов на полупроводниковой основе: большой отрицательный коэффициент температурной зависимости сопротивления, что обеспечивает высокую чувствительность. Благодаря высокой электрической проницаемости можно создать резисторные элементы небольшого объема с высоким значением сопротивления, что обеспечивает у них низкую тепловую инерцию и возможность измерения температуры в определенной точке или динамической температуры. Недостатки: у резисторов с термочувствительными свойствами из одного и того же типа полупроводников наблюдается большая изменчивость температурных характеристик сопротивления, выраженная нелинейность, нестабильность характеристик элементов; в результате этого они плохо поддаются взаимозаменяемости, а точность их работы низкая. Способы подключения термосопротивлений:
Двухпроводное подключение: способ, при котором к каждому из двух концов термосопротивления подключается по одному проводу для передачи сигнала сопротивления. Этот метод подключения прост в реализации; однако из-за наличия сопротивления проводов (R), значение которого зависит от материала и длины проводов, данный способ подходит лишь для случаев, где не требуется высокая точность измерений.
Трехпроводное подключение: способ, при котором к одному из концов термосопротивления подключается один провод, а к другому — два провода. Обычно этот метод используется в сочетании с мостовой схемой; он позволяет эффективно компенсировать влияние сопротивления проводов. Является наиболее распространенным способом подключения в промышленных системах управления процессами. Четырехпроводная схема: Способ, при котором к обоим концам нагревательного резистора подключаются по два провода, называется четырехпроводной схемой. Два из этих проводов обеспечивают нагревательный резистор постоянным током I; это позволяет преобразовать значение R в сигнал напряжения U. Затем сигнал U передается на вторичные измерительные устройства посредством двух оставшихся проводов. Очевидно, что такой способ подключения позволяет полностью устранить влияние сопротивления проводников, и он в основном используется для высокоточного измерения температуры. Требования к монтажу: При монтаже терморезистора необходимо учитывать факторы, способствующие точному измерению температуры, безопасности и надежности, а также удобству технического обслуживания, при этом не должно нарушаться нормальное функционирование оборудования и процесс производства. При выборе места установки термопротиводействия и глубины его введения необходимо учитывать следующие моменты: 1. Для обеспечения эффективного теплообмена между измерительным концом термопротиводействия и измеряемой средой следует правильно выбирать место его размещения, стараясь избегать установки термопротиводействия рядом с клапанами, изгибами труб, а также в труднодоступных местах трубопроводов и оборудования. 2. Термопротивления с защитными втулками имеют потери на теплопередачу и рассеивание тепла; чтобы уменьшить погрешности измерений, термопары и термопротивления должны иметь достаточную глубину введения: 1) для термопротивлений, предназначенных для измерения температуры жидкости в центре трубопровода, их измерительный конец обычно вводят в центр трубопровода (при вертикальной или наклонной установке). Если диаметр трубы с измеряемой жидкостью составляет 200 мм, то глубина введения термопротивника должна быть 100 мм ； 2) Для измерения температуры высокотемпературных, высокодавленных и быстро движущихся жидкостей (например, температуры главного пара), с целью снижения сопротивления, оказываемого защитной оболочкой на жидкость, и предотвращения её разрыва под действием жидкости, можно использовать способ неглубокого вставления защитной трубки или терморезисторы с тепловой оболочкой. Защитная гильза для термосопротивления с поверхностным вставлением; глубина её вставки в главный паропровод должна быть не менее 75 мм ； Стандартная глубина вставки терморезистора с термооболочкой составляет 100 мм. 3) Если необходимо измерить температуру дымовых газов в дымоходе, то при диаметре дымохода 4 м достаточно установить терморезистор на глубине 1 м. 4) Когда глубина введения измерительного элемента превышает 1 м, его следует устанавливать как можно более вертикально или использовать дополнительные опоры и защитные чехлы. Принцип работы термопарного термометра: два проводника разного состава (называемые проволоками термопары или термоэлектродами) соединяются на обоих концах в замкнутую цепь. Когда температура в точках их соединения различается, в цепи возникает электродвижущая сила. Это явление называется термоэлектрическим эффектом, а сама электродвижущая сила — термоэдс. Термопары используют именно этот принцип для измерения температуры. Тот конец, который напрямую используется для измерения температуры среды, называется рабочим концом (также называемым измерительным концом), а другой конец — холодным концом (также называемым компенсационным концом) ； Холодный конец соединяется с измерительным прибором или вспомогательным оборудованием; измерительный прибор показывает термо-ЭДС, возникающую в термопаре. Требования к монтажу: Во-первых, термопары и термосопротивления следует устанавливать по возможности вертикально, чтобы предотвратить деформацию защитной гильзы при высоких температурах. Однако в случае наличия потока среды их необходимо вставлять против направления его движения, чтобы обеспечить полный контакт измерительного элемента с жидкостью и, соответственно, точность измерений. Кроме того, термопары и термисторы следует по возможности устанавливать в трубопроводы с изоляционным слоем, чтобы предотвратить потерю тепла. Во-вторых, когда термопары и датчики сопротивления устанавливаются в трубопроводах с отрицательным давлением, необходимо обеспечить хорошую герметичность в месте измерения, чтобы предотвратить попадание холодного воздуха извне, что может привести к занижению показаний. Когда термопары и датчики с терморезисторами устанавливаются на открытом воздухе, крышка корпуса этих датчиков должна быть направлена вверх, а вход для проводов — вниз. Это необходимо для предотвращения попадания дождевой воды или пыли в корпус датчика, что может повредить провода внутри него и снизить точность измерений. Необходимо регулярно проверять состояние соединений клемм термопар и терморезистивных термометров. Особенно важно это сделать для термопар, поскольку из-за высокой твердости материала компенсационных проводов они легко могут отсоединиться от клемм, что приводит к перерыву цепи. Поэтому необходимо обеспечить надежные соединения, избегать чрезмерных повреждений проводов термометра и регулярно проверять его работу, чтобы получать точные показатели температуры. При монтаже термопары её следует размещать как можно ближе к точке контроля температуры, которую необходимо измерять. Чтобы предотвратить утечку тепла по термопаре или влияние защитной трубки на измеряемую температуру, термопару следует погрузить в измеряемую среду на глубину, не меньшую чем в 10 раз диаметр самой термопары. При измерении температуры твердого тела термопара должна находиться в прямом контакте с этим материалом. Чтобы свести ошибки теплопроводности к минимуму, необходимо уменьшить градиент температуры вблизи контактов. При измерении температуры газа в трубопроводе с помощью термопары, если температура стенок трубы значительно выше или ниже, термопара будет поглощать или излучать тепло, что приведет к существенному изменению измеряемой температуры. В этом случае можно использовать излучающую защитную оболочку, чтобы температура стала близкой к температуре газа; для этого применяют так называемые термопары с защитной оболочкой. При выборе точек измерения температуры они должны быть репрезентативными. Например, при измерении температуры жидкости в трубопроводе клемма термопары должна находиться в месте наибольшей скорости потока. Как правило, конец защитной оболочки термопары должен находиться за центральной линией скорости потока. 　 Принцип работы стеклянного термометра с жидкостью: Стеклянный термометр с жидкостью использует принцип изменения объема при нагревании и охлаждении. При изменении температуры объем жидкости в стеклянном шарике увеличивается или уменьшается, что приводит к изменению высоты столбика жидкости в капилляре. Это позволяет определить изменение температуры по шкале. Чувствительность термометра влияет на разрешающую способность его шкалы: чем выше чувствительность, тем выше разрешающая способность шкалы термометра. Чтобы повысить чувствительность термометра, можно увеличить объем термометрической жидкости или уменьшить диаметр капилляра. Однако увеличение объема жидкости для измерения температуры затрудняет достижение теплового равновесия с исследуемым веществом, что приводит к значительной задержке в измерениях, а также может вызвать деформацию сферической части ； Снижение диаметра капилляра затрудняет его однородную обработку, что приводит к неравномерному подъему столба жидкости и снижает точность измерений. Поэтому следует выбрать соответствующую чувствительность. Кроме того, чувствительность термометра также зависит от разницы в коэффициентах теплового расширения термометрической жидкости и стекла, причем пропорционально ей. Как правило, в качестве жидкости для измерения температуры выбирают жидкости с высоким коэффициентом теплового расширения, тогда как у стекла этот коэффициент должен быть как можно меньше. Часто используемыми жидкостями для измерения температуры являются ртуть и спирт. Основные причины возникновения ошибок: (1) постоянное смещение нулевой точки; (2) временная деформация сферической части устройства; (3) изменения давления; (4) неточность шкалы измерения; (5) неправильный способ считывания показаний; (6) эффект тепловой инерции; (7) особые причины ошибок у алкогольных термометров; (8) особые причины ошибок у термометров, измеряющих максимальную температуру. Принцип работы датчика температуры: датчик температуры преобразует сигналы, получаемые от датчика температуры, в сигналы тока, которые затем передаются на вспомогательные приборы для отображения соответствующей температуры. Датчики температуры используют термопары и терморезисторы в качестве элементов измерения. Сигналы, генерируемые этими элементами, поступают в модуль датчика. После обработки с помощью цепей стабилизации напряжения, фильтрации, усиления сигнала, линейной коррекции, преобразования V/I, регулирования тока и защиты от обратного тока, сигнал преобразуется в токовый сигнал силой 4–20 мА, который имеет линейную зависимость от температуры. Требования к установке: 1. Перед установкой проверьте, все ли комплектующие на месте, не ослабли ли крепежные элементы, и затяните антенну. 2. При установке обращайте внимание, чтобы обращаться с ним осторожно, не стучать и не падать. После затягивания антенны устройство будет работать нормально. 3. После установки и подачи питания запрещается лицам, не имеющим права на оперирование устройством, открывать переднюю крышку. Если оператор допустит ошибку, устройство следует выключить; после этого его можно снова включить. Основные причины ошибок: при повышении или снижении температуры измеряемой среды выходной сигнал трансмиттера не меняется. Обычно это связано с проблемами с герметичностью трансмиттера — возможно, он плохо загерметизирован или в процессе сварки в нем появилась маленькая дырка. В таких случаях для устранения проблемы обычно требуется замена корпуса трансмиттера. Выходной сигнал нестабилен; причиной этого является сам источник температуры, поскольку он сам по себе представляет собой нестабильную температуру. Если же нестабильность проявляется в показаниях прибора, то причина заключается в недостаточной способности прибора к противодействию помехам. У трансмиттера большая погрешность выходного сигнала; причин этого может быть множество. Возможно, это связано с тем, что используемые в трансмиттере нагревательные нити имеют неправильные характеристики, из-за чего возникает ошибка в диапазоне измерений. Также возможно, что трансмиттер не был калиброван при производстве. Принцип работы термопереключателя: Термопереключатель — это устройство, в котором в качестве датчика температуры используется биметаллическая пластина. При нормальной работе электроприбора биметаллическая пластина находится в свободном состоянии, а контакты — в замкнутом/разомкнутом положении. Когда температура повышается до заданного уровня, биметаллический элемент под действием тепла испытывает внутренние напряжения, что приводит к его быстрому действию: контакты открываются/закрываются, что позволяет разрывать/подключать цепь. Таким образом осуществляется защита от перегрева. Когда градиент снижается до температуры перезапуска, контакты автоматически замыкаются/размыкаются, возвращаясь к нормальному режиму работы. Требования к установке: 1. При установке с использованием датчика температуры на контакте металлическая крышка должна плотно прилегать к поверхности устройства, которое необходимо контролировать. Для обеспечения эффективной работы датчика на его поверхность следует нанести теплопроводящий силиконовый гель или другой подобный по свойствам теплопроводящий материал. 2. Во время установки не допускается сжатие, ослабление или деформация верхней части крышки, чтобы это не повлияло на её работу. 3. Не допускается проникновение жидкости внутрь регулятора температуры, не должно возникать трещин на корпусе, а также запрещается произвольно изменять форму внешних контактов. 4. При использовании продукта в цепях с током не более 5 А следует использовать провода с медным сердечником площадью поперечного сечения 0,5–1 мм² ； Для цепей с током не более 10 А следует использовать провода с медным сердечником площадью поперечного сечения 0,75–1,5 мм². 5. Продукция должна храниться в проветриваемом, чистом, сухом складском помещении без коррозионно-активных газов, при относительной влажности воздуха менее 90% и температуре окружающей среды ниже 40°C. Оптические радиационные термометры. Принцип работы: Радиационный термометр создается на основе функциональной связи между энергией излучения объекта во всем диапазоне длин волн и его температурой. В качестве первичного прибора используется датчик, чувствительный к излучению; в качестве вторичного прибора — электронный потенциометр. Это устройство относится к категории датчиков с использованием линз для фокусировки излучения. У него алюминиевый корпус; спереди расположена объективная линза. Внутри корпуса находится термопара, а рядом с ней — диафрагма для регулировки интенсивности излучения, падающего на термопару. Это позволяет обеспечить единые значения делений на шкале прибора. На съемной задней крышке расположен окуляр, с помощью которого можно наблюдать изображение измеряемого объекта. Радиационный термодатчик фокусирует излучательную энергию исследуемого объекта с помощью линзы на термочувствительном элементе. Этот элемент преобразует излучательную энергию в электрические параметры. С помощью известной зависимости между термоэлектрическим потенциалом и температурой объекта, с помощью вторичных измерительных устройств определяется термоэлектрический потенциал, что позволяет получить значение температуры. Это значение необходимо скорректировать с учетом коэффициента полного излучения объекта. Также можно использовать термопару из платины и родия 10-платина для измерения температуры в высокотемпературной солевой ванне с использованием постоянного потенциометра. Затем это значение сравнивается с показаниями прибора для калибровки точности измерения температуры. Требования к установке: прибор предназначен для стационарной установки; датчик температуры может использоваться в диапазоне температур от 10 до 80 °C. При температуре окружающей среды выше 80 °C или при наличии в воздухе водяного пара и дыма для снижения температуры окружающей среды, а также для очистки измерительного канала от дыма и уменьшения погрешности измерений следует использовать вспомогательные устройства, такие как системы охлаждения водой и вентиляции. Вспомогательные устройства датчика температуры бывают легкими и тяжелыми. Тяжелые модели используются в условиях с повышенной агрессивностью окружающей среды. Для предотвращения того, чтобы пламя или горячие газы из печи могли проникнуть в каналы измерений и повредить оборудование, предусмотрены устройства защиты от пламени. Эти устройства могут автоматически срабатывать в случае опасности, защищая оборудование и подавая сигналы тревоги. Принцип работы бесконтактного инфракрасного термометра: Бесконтактный инфракрасный термометр (далее — «термометр») может определять температуру поверхности путем измерения инфракрасной энергии, излучаемой этой поверхностью. Инфракрасный термометр бесконтактного типа оснащен интеллектуальной конструкцией с чрезвычайно низким энергопотреблением. Дизайн с чрезвычайно низким энергопотреблением обеспечивает более длительную работу устройства, избавляя пользователя от необходимости частой замены батареи и проблем с недостатком заряда во время работы. Интеллектуальный дизайн помогает пользователям более удобно проводить тестирование и быстрее определять истинные значения измеряемого объекта; кроме того, прибор может автоматически выбирать способ питания — от батареи или через USB-подключение.