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 =ΔR/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= 
=1,391
0,001.
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
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 |
||||
|
I |
II |
III |
IV |
V |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
W100 |
1,391 |
1,391 |
1,391 |
1,391 |
1,391 |
, Ом
W
Наиболее употребимые и стандартизованные номиналы чувствительных элементов платиновых рабочих термометров представлены в табл. 6.2.
Таблица 6.2
|
Условное обозначение номинальной |
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 |
|||
|
II |
III |
IV |
V |
|
|
|
|
|
|
|
|
W100 |
1,428 |
1,428 |
1,428 |
1,428 |
Принятые номиналы сопротивления медных термометров приведены в табл. 6.4.
Таблица 6.4
|
Условное обозначение номинальной функции преобразования |
R0, Ом |
Диапазон |
|
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:
Еав(Тх,Т0) = Eав(Тх) + Eав (Т0),
где Eав (Тх) и Eав (Т0) – термоЭДС элементов цепи.
Так
как Eав (Тх) при То = 0°C – реперная температура, то Е(Тх, 0) = Eав (Тх).
г
Рисунок 2.2–Термопарные термочувствительные элементы
.
20; СТ6-1А – ТКС
