Туяхов И.А. Практическая метрология

Подождите немного. Документ загружается.

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

зультата измерения температуры. Для компенсации потери ЭДС тер-

мопарой применяется внешний источник питания, который подключа-

ется в цепь термопары и должен компенсировать недостающую ЭДС.

При этом, величина компенсирующего значения ЭДС должна в точно-

сти соответствовать той потере термо-ЭДС, которая вызвана повыше-

нием температуры свободных концов термопары и чем выше темпера-

тура свободных концов, тем больше значение компенсирующей ЭДС.

Устройство внешнего источника питания, которое подключается

к термопаре в районе нахождения свободных концов термопары,

представляет собой мостовую схему (рисунок 2.20), три плеча R

, R

которого выполнены из манганиновой проволоки, а плечо R

из

медной проволоки. Мост питается от постоянного источника (батарея

или источник стабилизированного напряжения).

При температуре

=0°С мост уравнове-

шен, напряжение U

на зажимах а и b равно

нулю, а термо-ЭДС

термопары соответст-

вует градуировочному

значению при темпера-

туре в объекте t

При изменении

температуры окру-

жающей среды, а сле-

довательно, и темпера-

туры свободных кон-

цов термопары до значения t

, медный резистор R

также увеличивает

своё сопротивление до значения R′

. Вследствие этого нарушается

равновесие моста и на зажимах a и b возникает напряжение U

, кото-

рое автоматически компенсирует уменьшение термо-ЭДС термопары.

Устройства, предназначенные для этой цели, изготавливаются для

термопар с градуировкой ПП, ХА, ХК, при этом погрешность компен-

сации при изменении температуры свободных концов термопары в

пределах 0 - 50°C не превышает ±3° C.

2.7 Конструктивное выполнение термопар

Конструкция термопар зависит от многих условий в том числе от

величины измеряемой температуры, от физических, химических

Рисунок 2.20 – Схема включения внешнего

источника питания в цепь термопары

объект

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

свойств измеряемой среды и ее состояния (твердого, жидкого, газооб-

разного), от цели измерения и др. Однако, существуют общие требо-

вания, которым должны удовлетворять различные конструктивные

элементы самой термопары:

- спай термопары (рабочий конец) должен обеспечивать хороший

контакт между двумя термоэлектродами термопары;

- термоэлектроды по всей длине должны быть хорошо изолиро-

ваны друг от друга с использованием керамической (Al

, SiO

MgO) или другой изоляции, которая была бы инертна к термоэлек-

тродным проводам при высокой температуре;

- термопара вместе с изоляцией должна быть помещена в защит-

ную газонепроницаемую гильзу, выполненную из жароупорной стали

при измерении высоких и средних температур или из плотного карто-

на для одноразовых термопар при измерении температуры жидких

металлических расплавов (стали, чугуна и др.);

- спай рабочего конца должен иметь хороший тепловой контакт с

нижней частью защитной гильзы (чехла) для уменьшения инерцион-

ности термопары. Стандартные термопары имеют следующие значе-

ния тепловой инерции: малоинерционные – 5 c, средней инерционно-

сти – до 60 c, большой инерционности – до 180 c.

- конструкция лабораторных термопар (повышенной точности)

должна обеспечивать возможность термостатирования свободных

концов.

В настоящее время наиболее рациональными и зарекомендовав-

шими себя при длительной эксплуатации в промышленности являют-

ся стандартные термопары (термоэлектрические термометры) (рису-

нок 2.21). Для защиты от механических повреждений и воздействий

среды, температура которой измеряется, термопарные провода (тер-

моэлектроды), изолированные друг от друга огнеупорной керамикой

2, помещаются в специальную защитную арматуру. Термоэлектроды

расположены так, что их спай 1 касается защитного чехла 3. На конце

защитного чехла крепится головка термопары 4. В головке располо-

жены зажимы 5 для соединения термоэлектродов с измерительным

прибором.

Рабочий спай чаще всего изготавливается путем сварки, а для

вольфрам-рениевых термоэлектродов применяют скрутку. В отдель-

ных конструкциях термоэлектроды приваривают к защитному чехлу.

В качестве изоляции термоэлектродов наибольшее распространение

при температурах до 1300°С получили фарфоровые одно- и двухка-

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

нальные трубки и бусы, а для

более высоких температур

применяют бусы из окиси

алюминия (Al

Защитные чехлы изго-

тавливаются чаще всего из

различных марок стали для

температур до 1000°С. При

более высоких температурах

применяются специальные

чехлы из тугоплавких соеди-

нений: диборида циркония с

молибденом (ZrB

+Mo) для

измерения температуры стали,

чугуна и восстановительной

газовой среды до 2200° С; ди-

силицида молибдена (MoSi

)

для измерения температуры

расплавленного стекла и

окислительной газовой среды

до 1700°С.

Большое распростране-

ние в последнее время полу-

чили термопары кабельного типа (термопары типа КТМС). Они пред-

ставляют собой два термоэлектродных провода, помещенных в тонко-

стенную металлическую оболочку. В качестве изоляционного мате-

риала, отделяющего термоэлектроды друг от друга и от оболочки, ис-

пользуется порошок из MgO или Al

. Такие термопары выпускают-

ся с маркировкой ХА и ХК при наружном диаметре оболочки от 0,5 до

6 мм при сколь угодно большой длине для измерения температуры от

–200 до 1100° С.

Основными преимуществами термопар кабельного типа являются:

- возможность использования их без применения удлиняющих

проводов, т.е. собственно термопару можно изготовить любой необ-

ходимой длины;

- гибкая оболочка термопары позволяет прокладывать ее в лю-

бых условиях действующего агрегата (объекта);

- применение их при давлении внешней среды до 40 МПа (400ат);

- радиационная стойкость, позволяющая им работать в энергети-

ческих реакторах атомных электростанций;

Рисунок 2.21 – Конструктивное

выполнение одного из видов

термопар

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

- малая инерционность и небольшой вес на единицу длины, что

дает возможность эффективно использовать их в системах автоматики

для управления теплоэнергетическими агрегатами с быстропроте-

кающими тепловыми процессами (паровые котлы, паровые и газовые

турбины и др.).

- повышенная стойкость к тепловым ударам, вибрациям и меха-

ническим нагрузкам.

Указанные преимущества кабельных термопар позволяют эффек-

тивно использовать их в различных промышленных установках для

измерения температуры твердых, жидких и газообразных сред.

Особые трудности возникают при измерении температуры газо-

вых сред: продуктов сгорания в боровах, воздуха на выходе из тепло-

обменников, доменного, коксового, генераторного газа на выходе из

агрегатов и др. Это связано с особенностями теплообмена в системе

трех сред: стенка канала, газовая среда, спай термопары.

В реальных условиях при движении газовой среды в каналах

температура газа всегда отличается от температуры стенки канала и

обычная термопара покажет промежуточную температуру между t

ст

(рисунок 2.22).

Для определения дей-

ствительной температуры

газовой среды применяют

так называемую отсасы-

вающую термопару. В этой

конструкции термопары

газовая среда при помощи

инжектора 2 с большой

скоростью (80 – 120 м/с)

протекает через спай тер-

мопары и при этом значи-

тельно увеличивается кон-

вективная теплопередача

от газа к термопаре. Кроме того, спай термопары экранируется от из-

лучения стенки канала при помощи специальной насадки 1 с отвер-

стиями для прохода газовой среды. Отсасывающая термопара позво-

ляет резко увеличить точность измерения температуры газовой среды.

Для работы отсасывающих термопар требуется достаточно боль-

шой расход сжатого воздуха или пара, поэтому они применяются пе-

риодически при проведении испытаний, наладочных работ теплоэнер-

гетических агрегатов, а также для внесения поправок при определении

ст

1 – огнеупорный экран; 2 – инжектор;

Рисунок 2.22 – Измерение температуры

газовой среды отсасывающей

термоп

рой

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

температуры газовых сред обычными стандартными термопарами,

установленными стационарно.

Измерение температуры поверхностей. В реальных условиях

эксплуатации теплоэнергетических агрегатов часто возникает необхо-

димость контроля температуры поверхностей отдельных узлов огне-

упорной кладки, горелочных устройств, балок, фурм различного на-

значения и др. Чаще всего для этой цели применяют так называемые

поверхностные термопары. Так, на тепловых электростанциях для

контроля температуры поверхностей металла барабана, выходных

коллекторов пароперегревателей, отдельных змеевиков пароперегре-

вателя и отдельных точек паропроводов парогенераторов применяют

только поверхностные термопары.

При измерении температуры поверхностей необходимо выпол-

нить два условия:

- чувствительный элемент термопары (рабочий конец) должен

иметь хороший тепловой контакт с поверхностью объекта;

- термопара не должна охлаждать своим присутствием место из-

мерения температуры.

Для обеспечения хорошего теплового контакта применяют раз-

личные способы в том числе зачеканка спая на поверхности объекта,

приваривание и приклеивание рабочего конца к поверхности и другие.

С целью уменьшения искажения температурного поля поверхности

объекта измерения необходимо создать такие условия, чтобы не было

дополнительного теплообмена в месте измерения температуры по-

верхности.

На рисунке 2.23 показаны различные способы измерения темпе-

ратуры поверхности нагретого тела с помощью термопары. Наиболее

неблагоприятный вариант установки термопары показан на рисунке

2.23а. В этом случае термоэлектроды термопары отводят тепло как от

рабочего конца, так и от той части поверхности, температура которой

должна быть измерена. Поэтому такой способ установки не может

быть рекомендован.

Вариант “б” по-

зволяет более точно

измерить температу-

ру благодаря изоля-

ционной пластинке,

которая уменьшает

потери тепла от спая

термопары, однако,

Рисунок 2.23 – Способы установки термопары

на п

верхности

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

в этом способе утечка тепла по термоэлектродам не устраняется.

Для уменьшения погрешности за счет теплоотвода до минимума

термопару необходимо устанавливать на поверхности тела (вариант “в”).

В этом способе термоэлектроды прокладываются на поверхности на дли-

ну не менее 150 – 200 их диаметров. В этом случае теплоотвод непосред-

ственно от рабочего конца термопары значительно уменьшается.

Измерение температуры металла труб паровых котлов. Основ-

ным показателем, определяющим надежную работу котлов, является

температурный режим труб поверхностей нагрева. Максимальная

температура обогреваемых труб не должна, исходя из условия дли-

тельной прочности, превышать допустимую температуру для данной

марки стали, из которой изготовлена труба.

Температура трубы является параметром, суммирующим влияние

целого ряда факторов: условий обогрева (значения и распределения

теплового потока), термодинамического состояния среды и условий

охлаждения (теплообмена внутри труб), состояния наружной и внут-

ренней поверхностей, а также условий эксплуатации котла (подъем и

сброс нагрузки, работа на скользящем давлении) и т. д. При этом, воз-

никает задача измерения температуры металла труб поверхностей на-

грева, расположенных в топочной камере, зоне высоких газовых тем-

ператур (пароперегреватель) и конвективной шахте, зоне умеренной

температуры.

Наиболее сложной задачей при этом является измерение темпе-

ратуры металла экранных труб в топочной камере из-за того, что ра-

бочий спай термопары и ее выводы располагаются в среде агрессив-

ных топочных газов, имеющих высокую температуру.

Измерение температуры металла труб пароперегревателя также

является достаточно сложной задачей. В этом случае появляются до-

полнительные трудности, которые определяются отдаленностью точек

измерения от обмуровки. Для мощных котлов это расстояние может

превышать 8-10 м.

В настоящее время известны различные конструкции устройств

для измерения температуры металла труб в зоне обогрева. Эти уст-

ройства принято называть температурными вставками. Все конструк-

ции температурных вставок по принципу закладки в них горячего спая

термопары можно разделить на вставки со сверлениями в стенке тру-

бы и вставки с фрезерованной канавкой.

Вставка изготавливаются из отрезка экранной трубы Ø 32×6 мм

(сталь 12Х1МФ) (рисунок 2.24). Внутри вставки 1 располагается про-

дольная кольцевая канавка, в которой находятся термоэлектродные

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

провода термопары

2. Свободные концы

термопары выводят-

ся за пределы экран-

ной трубы 4 и за

пределы котла при

помощи отводной

трубки 3. Рабочие

концы термопары

размещаются в сече-

нии А – А на рас-

стоянии 1,5 мм от

внешней поверхно-

сти трубы. Термо-

электродные прово-

да (Ø 0,5 мм) термо-

пары имеют градуи-

ровку ХА (хромель-алюмель) и изолируются по всей длине до рабоче-

го конца (до спая термопары). Надежный контакт спая 5 со стенками

трубы температурной вставки обеспечивают ударом керна в зоне рас-

положения спая термопары.

Описанная конструкция вставки обеспечивает измерение темпе-

ратуры металла на глубине δ=1,5 мм. Температура металла на поверх-

ности температурной вставки а, значит, и на поверхности экранной

трубы, с достаточной для практических расчетов точностью может

быть найдена по формуле:

пов

изм

+ δ

,(2.24)

где t

изм

- температура металла, измеренная на глубине 1,5мм;

q – тепловой поток на поверхность экранной трубы,

Вт

;

λ – коэффициент теплопроводности металла трубы,

Вт

⋅

Общая погрешность определения температуры наружной стенки

трубы складывается из неточности установки термопары и пересчета,

и с вероятностью 0,95 не превышает ±5

С.

В настоящее время широко применяются кабельные термопары

типа КТМС в металлической оболочке из нержавеющей стали. Эти

термоэлектрические преобразователи обладают рядом достоинств –

Рисунок 2.24 – Схема температурной вставки

в экранной трубе для размещения термопары

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

они выполнены из тонкого термоэлектрода (Ø 0.2 – 0.3 мм) и характе-

ризуется малой инерционностью, сохраняя при этом высокую проч-

ность и гибкость, и поэтому их следует рекомендовать при изготовле-

нии целого ряда температурных вставок. На рисунке 2.25 показана

схема установки термопары КТМС в температурной вставке экранной

трубы. Такой способ измерения температуры поверхности экранных

труб очень эффективен для контроля температурного состояния

экранов в зоне высоких тепловых нагрузок парового котла.

2.8 Измерительные приборы, работающие в комплекте с термо-

парами

Измерение термо-ЭДС, развиваемое термопарами, производится

двумя методами: прямым измерением ЭДС термопары и компенсаци-

онным.

Прямые измерения ЭДС термопары осуществляется милливольт-

метрами, а для компенсационного метода измерения используются

потенциометры.

Принцип действия измерительного магнитоэлектрического мил-

ливольтметра основан на взаимодействии магнитного поля постоян-

ного магнита и проводника с током, находящегося в этом магнитном

поле. Основными частями милливольтметра (рисунок 2.26) являются

постоянный магнит с полюсными наконечниками цилиндрической

формы 1, выполненными из магнито-мягкой стали и подвижной рамки

1 –температурная вставка в экранную трубу; 2 – кабельная

термопара; 3 – выводная трубка; 4 –пробка; 5 – обмуровка котла;

6 – выводные концы термопары; 7 – газовая среда котла; 8 – пар.

Рисунок 2.25 – Температурная вставка для измерения температу

ры экранных труб в зоне высоких температур

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

2, которая состоит из нескольких десятков витков тонкой изолирован-

ной медной проволоки. Рамка, имеющая две полуоси 3, может пово-

рачиваться в корундовых или агатовых подпятниках. Подвод тока к

рамке осуществляется через спиральные пружинки 4, которые одним

концом соединены с рамкой 2, а другим – с контактами, которые со-

единяют ее с термопарой 5.

Изменение температуры окружающей среды приводит к измене-

нию сопротивления рамки и подводящих проводников. При постоян-

ной термо-ЭДС термопары, это приводит к изменению тока, проте-

кающего через рамку милливольтметра, а, значит, к изменению его

показания. Для уменьшения погрешности показания прибора последо-

вательно с рамкой включен добавочный резистор 6 (R

), выполненный

из манганина.

объект

а – электрическая схема;

б – подвод ЭДС термопары к рамке милливольтметра

Рисунок 2.26 – Схема магнитоэлектрического милливольтме

ра

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

При измерении температуры в электрической цепи милливольт-

метра возникает ток, который, протекая через рамку прибора, создает

магнитоэлектрический момент, поворачивающий рамку и величина

которого зависит от термо-ЭДС, создаваемой термопарой.

=2⋅r⋅ℓnB⋅I,

где: 2r – ширина рамки, м;

ℓ - длина рамки, м;

n – число витков обмотки рамки;

B – магнитная индукция, создаваемая полем постоянного магнита

между полюсными наконечниками, Тл;

I – ток, протекающий в рамке, А.

При повороте рамки одновременно закручиваются спиральные

пружины, которые создают противодействующий момент:

пр

уд

⋅φ, (2.26)

где: М

уд

– удельный противодействующий момент, т.е. момент пру-

жин, отнесенный к единице угла поворота, который зависит

от материала и размера пружин, Н·м/рад

φ – угол поворота рамки, рад.

Вращение рамки будет продолжаться до тех пор, пока момент,

вызванный протеканием тока через рамку (М

), не уравновесится мо-

ментом при закручивании пружины (М

пр

), т.е. М

= М

пр

. Приравняв

два момента, найдем зависимость между углом поворота рамки и то-

ком, протекающим через рамку:

уд

nBr2 l

⋅

=ϕ I(2.27)

Принимая, что 2r,ℓ¸ n¸ B¸ M

уд

для данной конструкции прибора

при нормальных условиях эксплуатации являются постоянными вели-

чинами и обозначив их сочетание через "k", получим:

φ=k⋅I(2.28)

Ток, протекающий в рамке, зависит от ЭДС термопары и сопро-

тивления всей электрической цепи, соединяющей прибор и термо-

электродные провода (рисунок 2.26). Значение тока для данной элек-

трической цепи можно записать по закону Ома:

pдпT

RRRR

+++

,(2.29)