Раздел 6 Методы и средства измерения тепловых параметров

 

К тепловым параметрам принято относить следующие величины:

·                        температура различных сред;

·                        тепловые потоки.

Измерение температуры как технологического параметра широко используется, в современных системах, оборудовании и нефтегазовой отрасли в целом. Температура по степени изменяемости является вторым после давления параметром. Кроме того, она является часто лишь косвенным параметром, применяемым при основных измерениях других параметров. Так, при измерениях расхода газа и жидкостей измерение температуры является обязательным, так как на нее вносится поправка, а при некоторых методах измерения температура является и основной контролируемой величиной, характерными примерами чего могут служить тепловые расходомеры, термокаталитические газовые ячейки, датчики влажности и пр.

При измерениях плотности и массы нефтепродуктов температура контролируется для повышения точности измерения путем внесения поправок на нее, так же дело обстоит и с учетом газа. При получении нефтепродуктов термическими методами от точности и достоверности измерения температуры зависит качество получаемой продукции. И таких примеров важности и необходимости измерения температуры можно привести множество.

 

6.1. Принципы преобразования тепловых параметров

 

6.1.1. Терморезистивный метод

Терморезистивный метод является наиболее распространенным и хорошо апробированным на практике. Принцип терморезистивного преобразования основан на температурной зависимости активного сопротивления металлов, сплавов и полупроводников, обладающих высокой воспроизводимостью и достаточной стабильностью по отношению к разнообразным дестабилизирующим факторам

Температурную чувствительность термометрического материала принято характеризовать температурным коэффициентом (ТК). Типичные случаи поведения термометрической зависимости представлены на рис. 6.1 (W R/R0). Не трудно заметить, что металлы 1 обладают положительным, но малым ТК, полупроводниковые материалы 2 – отрицательным ТК примерно на порядок больше, чем у металлов, а полупроводниковые сегнетоэлектрические керамики 3 – положительным ТК и тоже довольно значительным.

В ряду металлических материалов, используемых в термометрии, первое место, несомненно, принадлежит платине (Pt), которая широко используется в рабочих, образцовых и эталонных термометрах.

 

Рисунок 6.1– Зависимость ТК от температуры для металлических
и полупроводниковых материалов

Температурный диапазон измерения платины от -269 до 1100°С. Термометрическая платина для рабочих термометров характеризуется ТК

W100= =1,3910,001.

Для воспроизведения международной практической термометрической шкалы используется особо чистая платина в виде отожженной свободной от напряжения проволоки, имеющей ТКС

W100= = 1,39250.

Зависимость сопротивления платинового термометра от температуры экстраполируется следующими выражениями:

W = 1 + At + Bt2

в диапазоне температуры от 0 до 850 ºС;

W = 1 + At + Bt2 + C(t  – 100)t3

в диапазоне температуры от минус 200 до 0 °С,

где А = 3,968×10-3 К-1; В = –5,8×10-7 К-2; С = –4,1×10-12 К-4.

С целью обеспечения взаимозаменяемости рабочие термометры при изготовлении разбиваются на группы. В пределах группы термометры имеют общую функцию преобразования. Допуски на группу устанавливаются сообразно с требуемой точностью измерения.

Наиболее широко в рабочих термометрах используется платиновая проволока диаметром 0,05 мм при бифилярной намотке чувствительного элемента.

Рабочие термометры в зависимости от допуска на группу и значения и допуска на W100 подразделяются на пять классов (табл. 6.1).

Таблица 6.1

Параметр

Дополнительные отклонения градуировочной
характеристики для классов

I

II

III

IV

V

, Ом

0,05

0,1

0,2

0,4

0,8

W100W

1,391

1,391

1,391

1,391

1,391

 

Наиболее употребимые и стандартизованные номиналы чувствительных элементов платиновых рабочих термометров представлены в табл. 6.2.

Таблица 6.2

Условное обозначение номинальной
функции преобразования

R0, Ом

Диапазон измерений, °С

1 П

1

–50 ...+1100

5 П

5

–100 ...+1100

10 П

10

–200 ...+1000

Гр 21

46

–260 ...+1000

50 П

50

–260 ...+1000

100 П

100

–260 ...+1000

500 П

500

–260 ...+300

 

Второе место по распространенности применения в качестве термометрического материала в рабочих термометрах занимает медь. Поскольку медь относится к числу легко окисляемых металлов, диапазон ее применения ограничивается областью 200 ºС (при защитных покрытиях до 300 ºС).

В диапазоне температур от –50 до +200 ºС медь имеет почти линейную температурную зависимость, которая с достаточной степенью точности описывается соотношением

W = 1 + αТ.

Допустимые отклонения номинала медных термометров сопротивления в группе и допуск W100 приведены в табл. 6.3.

Таблица 6.3

Параметр

Дополнительные отклонения градуировочной
 характеристики для классов

II

III

IV

V

, Ом

0,1

0,2

0,5

1,0

W100W

1,4280,0010

1,4280,0020

1,4280,0030

1,428

 

Принятые номиналы сопротивления медных термометров приведены в табл. 6.4.

Таблица 6.4

Условное обозначение номинальной функции преобразования

R0, Ом

Диапазон
измерений, °С

10М

10

–50 ...+200

50М

50

–50 ...+200

Гр23

53

–50 ...+180

100М

100

–200 ...+200

 

К числу недостатков меди относится ее малое удельное сопротивление – ρ = 0,017 Ом×мм/м, что сказывается на размерах чувствительного элемента.

Значительно реже платины и меди в термометрии используется никель. К его достоинствам относятся высокие ТКС (W100 = 1,64) и удельное сопротивление ρ = 0,072 Ом×мм/м. Однако никель имеет значительно меньшую линейность термохарактеристики. В диапазоне температур от 0 до 200°С никель имеет термометрическую зависимость вида

W = 1+At+Bt2,

где А = 5,43×10-3 К-1;  В = 7,85×10-6 К-2.

Проволочные чувствительные элементы являются доминирующими в практической термометрии. Однако в настоящее время с ними успешно конкурируют термометры в металлопленочном исполнении В качестве ЧЭ таких термометров используются пленочные термосопротивления (ТС).  Материалом для пленочных ТС служит никель (Ni), медь (Cu), платина (Pt). При этом Pt-TC имеют наибольшие точность и диапазон измерения. Менее прецизионные, но более дешевые и технологичные ТС на основе меди и никеля используют для более узкого, чем у платиновых ТС, диапазона температур.

Такие термометры изготавливаются на различных подложках – из ситалла, сапфира, поликора – методом вакуумного напыления и имеют особую перспективу при массовом производстве. Большая часть операций по их изготовлению и подгонке номинала сопротивления практически полностью автоматизирована.

В металлопленочном исполнении чувствительные элементы характеризуются несколько меньшим ТКС по сравнению с проволочными (до 10 %).

Температурная зависимость сопротивления тонких металлических пленок от температуры  практически линейна, поэтому схемы с такими ТС не требуют использования линеаризирующих элементов.

Общим недостатком ТС на основе металлических пленок являются небольшие номиналы сопротивления ТС из-за малого значения удельного сопротивления и ТКС металлов (а соответственно мала и температурная чувствительность).

Достаточно широкое использование в настоящее время нашли толстопленочные ТС, изготавливаемые на основе резистивных паст. Пасты позволяют изготавливать ТС от небольших номиналов (десятки и сотни Ом) до больших (кОм и МОм) с отрицательными  и положительными ТКС (от минус 4 до 0,5) %/°С, что недостижимо для тонко-пленочных ТС.

Температурная зависимость сопротивления толстопленочных ТС – нелинейная, поэтому для линеаризации термохарактеристик применяют включение их в мостовую схему или используют последовательно-параллельное соединение ТС с постоянными резисторами.

Высокой температурной чувствительностью обладают дискретные и интегральные полупроводниковые ТС.

Для дискретного полупроводникового ТС зависимость сопротивления от температуры достаточно точно описывается выражением

RT =RN exp(–B/T), αR= –B/T2,

где Т – абсолютная температура;  и  – соответственно сопротивление при  и Т градусах;  – константа материала ТС (справочная величина), имеющая размерность (К).

Из данных уравнений видно, что термохарактеристика ТС – нелинейная.

Кроме того, у данного типа ТС ТКС (αR) меньше нуля, поэтому их сопротивление уменьшается с увеличением температуры, причем до­вольно резко.

Для линеаризации температурных характеристик ТС используется включение параллельно и/или последовательно соединенных с ними постоянных резисторов, которые линеаризируют зависимость , хотя и уменьшают их термочувствительность.

Величина  линеаризирующего резистора определяется по формуле

RP = RTm (B  – Tm/B + 2 Tm),

где RTm – сопротивление терморезистора при температуре Tm  (точка перегиба термохарактеристики).

Перспективными для использования в миниатюрных датчиках температуры являются диффузионные и ионно-легированные терморезисторы. Благодаря широкому диапазону номиналов возможности изменения их ТКС в процессе изготовления, а также из-за малых габаритов и небольшой инерционности они находят все большее применение в термометрах.

У диффузионных и ионно-легированных терморезисторов основными характеристиками являются:

1) ТКС не менее 0,5%/°С (минус 0,05…0,5);

2) удельное сопротивление (rS) 100…1300 Ом/;

3) диапазон рабочих температур минус 60…180 °С.

Такие терморезисторы обладают гораздо большей линейностью, чем рассмотренные ранее дискретные ТС.

Для измерения высоких температур от 200 и до 2000°С используются термопарные ТЧЭ, ЧЭ которых является неразъемное соединение (сварка, адгезинное) двух разнородных металлов, например, меди и медно-никелевого сплава, железа и медно-никелевого сплава или платины и платинородиевого сплава (рис. 6.2).

Термоэлектрическое явление объясняется главным образом тем, что концентрация свободных электронов в металле зависит от температуры. При наличии разности температур в проводнике возникает ЭДС и начинает протекать ток, при этом в более нагретом конце проводника возникает большая концентрация электронов по сравнению с менее нагретым.

Для создания замкнутой электрической цепи и измерения термоЭДС используют два спая, соединенных последовательно, один из которых является компенсационным, а второй – рабочим, помещенным в точку замера температуры. Компенсационный спай или помещается в точку с постоянной стабильной (реперной) температурой (чаще всего помещается в сосуд с тающим льдом 0°С), или же используется специальная электронная схема-компенсатор точки таяния льда.

ТермоЭДС, возникающая между спаями, в зависимости от типа термопары составляет от 7 до 75 мкВ/°С.

Так, для термопары «медь–констант» Е = 40 мкВ/°С в диапазоне 0....100°С, т. е. при разности температур спаев 100°С, термоЭДС равна 4,3 мВ. Для увеличения выходного сигнала используется соединение нескольких термоспаев в термобатарею (рис. 2.2). В этом случае суммарная термоЭДС в n раз больше термоЭДС одного спая. Математические соотношения, описывающие термоэлектрический ЧЭ следующие:

Еавх,Т0) = Eавх) + Eав 0),

где Eав х) и Eав0) – термоЭДС элементов цепи.

Так как Eав х) при То = 0°C – реперная температура, то Ех, 0) = Eав х).


г

Рисунок 2.2–Термопарные термочувствительные элементы


6.2. Объемные термочувствительные элементы

В промышленных ДТ используются стандартные ТЧЭ, чаще всего термисторы и терморезисторы проволочного, фольгового или дискретного типов. Из перечисленной группы терморезисторы выпускаются серийно.

Обширную группу полупроводниковых терморезисторов составляют композиционные терморезисторы (так называемые термисторы) [6, 10]. Термисторы имеют в своей основе порошкообразные сложные составы кобальто-марганцевых (КМТ, СТ1, ПТ), медно-марганцевых (ММТ, СТ2), медно-кобальто-марганцевых (МКМТ, СТЗ), никеле-кобальто-марганцевых (СТ4) оксидных полупроводников. Используются также составы на основе титаната бария, легированного по массе 0,1 % германия (СТ5) и др. С целью идентификации термисторов в партиях в их состав добавляются стабилизирующие вещества – окислы никеля, магния, углерода. При помощи пластичного связующего смеси формируются прессованием, а затем спрессованные заготовки спекаются с выводами и покрываются защитным покрытием.

На рис. 6.3 приведены конструкции стержневых, бусинковых, дисковых, пластинчатых и трубчатых терморезисторов.

 

Рисунок 6.3–Дискретные стандартные термочувствительные элементы

 

Температурная зависимость сопротивления терморезисторов описывается соотношением вида

RТ = А,

где А, В — постоянные коэффициенты (в узком температурном интервале).

Коэффициент температурной чувствительности  =  В/Т2 = –2,5 ...4 %/°С.

Воспроизводимость хорошо стабилизированных терморезисторов в диапазоне –50 ... 200 °С составляет в лучшем случае 0,2 °С. Высокая нелинейность затрудняет использование терморезисторов при измерениях. Их применение целесообразно в узких температурных интервалах, где проявляется их главное достоинство – высокая чувствительность при сравнительно небольшой нелинейности.

Позисторы – полупроводниковые терморезисторы с положительным ТКС. На основе легированной титанатной керамики выпускаются терморезисторы с аномально большим положительным ТКС. Такое большое значение ТКС обусловливается сочетанием сегнетоэлектрических свойств керамики и полупроводниковых свойств легирующих элементов. Чувствительные элементы позисторов имеют в своей основе сегнетоэлектрические керамики из титанатов, цирконатов и других солей свинца, бария, мышьяка и др. Их ТКС может превышать 10 %/°С.

В диапазоне измеряемой температуры температурная зависимость сопротивления позистора имеет вид: R=Ae.

У позисторов на характеристике  (рис. 6.4) ясно видно резкое возрастание сопротивления (скачком на несколько порядков) при температурах 50…110 °С (из рис. 6.4 видно, что СТ5-1 имеют ТКС20; СТ6-1А – ТКС10; СТ6-1Б, СТ6-ЗБ – ТКС15; СТ6-4Г – ТКС4; СТ11-1Г – ТКС9). Температура скачка определяется составом материала позистора. Присущий позисторам эффект резкого возрастания сопротивления используется для таких целей, как термостабилизация устройств и отдельных элементов, защита электрооборудования от перегрузок и пр.

 

   

а                                               б

Рисунок 6.4–Зависимости сопротивления позисторных элементов от температуры:
а – обобщенная термохарактеристика позисторного термодатчика;
б – зависимость ТКС позисторов от температуры (1 – СТ5-1;
2 – СТ6-1А; 3 – СТ6-1Б; 4 – СТ6-3Б; 5 – СТ6-4Г; 6 – CT11-1Г)

 

Hosted by uCoz