Технологические измерения на ТЭС. Измерение температуры.

Лекция 6.

Технологические измерения на ТЭС. Измерение температуры. Температура и температурные шкалы. Классификация термометров. (2 час)

Понятие о температуре и температурные шкалы. Международная практическая температурная шкала. Термодинамическая шкала Кельвина. Способы передачи теплоты между телами или средами (теплопроводность, конвекция, излучение). Методы измерения температуры (контактные, бесконтактные). Тепловые режимы (стационарные и нестационарные). Причины возникновения погрешностей при измерении температуры в реальных условиях. Классификация термометров по принципу действия (термометры расширения, сопротивления, термоэлектрические, манометрические).

1. Общие сведения о температуре.
Температура – это величина, характеризующая степень нагрева тела или среды. Зависимость между средней кинетической энергией поступательного движения молекул и температурой идеального газа определяется выражением:
, где k = 1,3810-23ДжК–1 – постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура, К.
Измерить температуру непосредственно нельзя, ее можно определить только косвенно, по значениям других физических параметров, однозначно зависящих от температуры: объем, длина, электрическое сопротивление, термоэлектродвижущая сила, энергетическая яркость излучения.
Впервые прибор для измерения температуры был построен в 1598 г. Галилеем. К настоящему времени существуют температурные шкалы: Фаренгейта, Цельсия, Реомюра. Все они построены по двум реперным точкам в предположении линейной аппроксимации зависимости температуры от термометрического свойства: Т = Т0 + kС.
В 1848 г. Кельвин предложил термодинамическую температурную шкалу, основанную на идеальном цикле Карно (работа зависит от температуры начала и конца процесса). Эта шкала построена на одной реперной точке (тройная точка воды), 1ОК = 1ОС. Эта шкала удобна для точных термодинамических расчетов, она не зависит от термометрических свойств используемых приборов. Однако, она неудобна для практического определения температуры: нужно либо измерять количество теплоты, либо вводить поправки на свойства веществ.
В 1968 г. принята международная практическая температурная шкала. Она построена на 11 реперных точках с постоянными температурами, которые могут быть воспроизведены с необходимой точностью.

2. Средства для измерения температуры.
Средство измерений температуры, предназначенной для выработки сигнала в форме, удобной для восприятия наблюдателем, автоматической обработки, передачи и использования в автоматических системах управления, называется термометром.
Средство измерения температуры по тепловому электромагнитному излучению называется пирометром. Пирометры применяют для бесконтактного измерения температуры.
Классификация термометров по принципу действия:
– термометры расширения стеклянные жидкостные (со вложенной школой, палочные);
– термометры расширения манометрические (газовые, жидкостные, конденсационные);
– термоэлектрические термометры (в том числе, потенциометры);
– термометры сопротивления (в том числе, логометры);
– пирометры (квазимонохроматический с исчезающей нитью, квазимонохроматический фотоэлектрический, пирометр спектрального отношения, цветовые пирометры, пирометр истинной температуры, пирометр полного излучения).

Виды и пределы применения промышленных средств измерения температуры

Тип средства
измерения Разновидность
средства измерения Предел длительного
применения, ОС
нижний верхний
Термометры
расширения Жидкостные стеклянные
термометры – 200 600
Манометрические термометры – 200 (– 272) 1000
Термометры
сопротивления Металлические (проводниковые) термометры сопротивления – 260 1100
Полупроводниковые термометры сопротивления – 272 600
Термоэлектрические термометры Термоэлектрические термометры – 200
(– 270) 2200
(2800)
Пирометры Квазимонохроматические термометры 700 6000
(100 000)
Пирометры спектрального отношения 300 2800
Пирометры полного излучения – 50 3500



Способы передачи теплоты между телами или средами:
– теплопроводность: нагретая среда отдает тепло, холодная принимает, передача тепла не сопровождается перемешиванием сред и протекает на границе их раздела, возможна между твердыми телами, на границе раздела жидкостей;
– конвекция: передача тепла от нагретой среды к холодной сопровождается активным перемешиванием сред, возникновением конвективных потоков, возможна в жидких и газообразных средах;
– излучение: передача тепла излучением преобладает при достаточно высоких температурах и, как правило, в газовой фазе, например, в процессе горения.

Классификация методов измерения температуры:
– контактные и бесконтактные, измерение высоких температур пирометрами излучения – бесконтактные;
– компенсационный метод – возможно использование как термоэлектрических термометров, так и термометров сопротивления, основан на компенсации неизвестной разности потенциалов, которую мы хотим измерить, другой разностью потенциалов, которой мы можем управлять и которую мы можем измерить; измерение производится в момент уравновешивания двух разностей потенциалов или двух сопротивлений, когда стрелка потенциометра стоит на нуле, тока в цепи нет, поэтому отсутствуют погрешности, связанные с наличием тока в цепи;
– измерения сопротивления с помощью уравновешенных и неуравновешенных мостов;
– измерение сопротивления с помощью логометра, "логос" – отношение, принцип действия основан на измерении отношения двух токов, разностей потенциалов или сопротивлений в двух цепях, причем одна из двух величин, входящих в отношение, известна и неизменна, тогда по этой величине и по отношению можно определить вторую, неизвестную, величину.

Тепловые режимы бывают стационарные (установившиеся) и нестационарные.

Причины возникновения погрешностей при измерении температуры в реальных условиях, т.е. различие между температурами термометра и измеряемой среды, обусловлены следующими факторами:
– наличие теплообмена между измеряемой средой, термометром и внешней (окружающей) средой;
– наличие теплообмена между различными частями технологического оборудования;
– неравномерность поля температур во всем оцениваемом объеме;
– нестационарность температурного режима;
– конструктивные особенности термометра;
– особенности установки термометра на объекте;
– условия теплообмена термометра с измеряемой и окружающей средой;
– режим работы оборудования;
– постоянство измеряемых параметров или других параметров измеряемой среды;
– конкретный метод измерения: в установившемся режиме погрешность измерения статистическая; в нестационарном режиме, когда либо сам измеряемый параметр, либо другие параметры измеряемой среды меняются, может иметь место динамическая погрешность измерения, определяемая конструкцией, теплофизическими свойствами термометра и условиями теплообмена с измеряемой средой.