Датчики температуры внешней среды

ДАТЧИКИ ТЕМПЕРАТУРЫ

Любой датчик, независимо от его размеров, вносит возмущение в зону измерения, что приводит к возникновению ошибок при определении температуры. Это касается любых способов детектирования: и радиационных, и конвективных и теплопроводных.

Измерение температуры всегда заключается в передаче небольшой порции тепловой энергии от объекта к датчику, который должен преобразовать эту энергию в электрический сигнал. Когда контактный детектор (зонд) помещается внутрь объекта или на него, между объектом и зондом происходит передача тепла за счет теплопроводности. При этом чувствительный элемент, входящий в состав зонда, либо разогревается, либо охлаждается.

В доисторические времена тепло было для людей основой их жизни, поэтому даже тогда они пытались оценить его интенсивность, измеряя температуру. Возможно самым простым и самым распространенным способом определения температуры является измерение теплового расширения различных веществ. На этом принципе реализованы все жидкостные стеклянные термометры. В электрических преобразователях применяются несколько другие принципы детектирования. В настоящее время широко распространенны следующие датчики температуры: рези-стивные, термоэлектрические, полупроводниковые, оптические и пьезоэлектрические детекторы.

То же самое происходит и при передаче тепла при помощи излучения: тепловая энергия в виде ИК излучения либо поглощается датчиком, либо выделяется им в зависимости от температуры объекта и типа оптической связи. Таким образом, разработчик должен всегда стремиться минимизировать погрешность измерений, применяя соответствующие конструкции сенсоров и методы компенсации погрешностей.

Существует два основных метода измерения температуры: равновесный и прогнозируемый. В равновесном методе измерение температуры проводится, когда между измеряемой поверхностью и чувствительным элементом, находящимся в зонде, наступает тепловое равновесие, т.е. между датчиком и объектом измерения нет существенной разности температур. В методе прогнозирования в процессе проведения измерений тепловое равновесие не наступает, а значение текущей температуры определяется по скорости изменения температуры датчика. С момента размещения чувственного элемента на объекте до наступления теплового равновесия между объектом и датчиком может пройти довольно много времени, особенно, если контактные площадки сухие. к примеру, медицинский электронный термометр определяет температуру в ванне с водой за 10 секунд, в то время как для измерения подмышечной температуры требуется, по крайней мере, 3. 5 минут.

Рассмотрим источники возможных ошибок при измерении температуры контактным способом. Одна из причин возникновения ошибок заключается в том, что датчик, как правило, соединяется не только с объектом, температуру того он измеряет, но и с другими предметами. Другая причина кроется в использовании соединительных кабелей (рис. 16.1А). Чувствительный элемент, подсоединяемый к объекту с температурой Тв, обладает своей собственной температурой Ts. Для проведения точных измерений необходимо достичь состояния теплового равновесия, при котором эти две температуры станут практически равными. Один конец кабеля соединяется с зондом, а другой конец подвергается действию температуры окружающей среды Т, которая может значительно отличаться от температуры объекта. Таким образом, соединительный кабель не только передает электрический сигнал датчика, но и часть тепла от элемента или к нему. На рис. 16.2Б отображена тепловая схема, включающая в себя объект, датчик, окружающую среду и тепловые сопротивления г, и г2, которые отображают способность вещества проводить тепловую энергию и определяются как величины, обратные коэффициентам теплопроводности, т.е. г=1/а. Если объект теплее окружающей среды, тепловой поток будет направлен туда, куда указывает стрелка.

Рис. 16.1. Датчик температуры имеет тепловые контакты как с объектом, так и с соединительным кабелем (А), эквивалентная тепловая схема (Б)

Схема на рис. 16.1Б напоминает электрическую схему, и для расчета ее параметров также применяются законы электрических цепей, такие как законы Кирхгофа и Ома (Интересно отметить, что закон Кирхгофа был первоначально выведен не для электрической цепи, а для водопровода). Теплоемкость вещества, по аналогии с электрическими цепями, отображается в виде конденсатора. Считая, что все температуры уже вышли на определенный стационарный уровень, к этой системе можно применить закон сохранения энергии, из того рекомендуется, что тепловая энергия, переданная объектом датчику, должна быть равна энергии,

отданной датчиком в окружающую среду. Исходя из этого, можно записать следующее уравнение:

где AT — разность температур между объектом и окружающей средой. Подробнее рассмотрим уравнение (16.2). Анализируя его, можно сделать несколько заключений. Во-первых, температура датчика всегда отличается от температуры объекта. Исключение составляет случай, когда температуры окружающей среды и объекта равны (т.е. AT=TB — TQ=Q). Во-вторых, при любом ДГтемпература датчика будет приближаться к температуре объекта только в том случае, когда отношение rjr2 стремится к нулю. Это означает, что для снижения погрешности измерения необходимо улучшать тепловую связь между объектом и датчиком и, по возможности, отделять датчик от окружающей среды, что часто очень нелегко выполнить.

Все вышесказанное справедливо для стационарных условий. Теперь рассмотрим динамический процесс, когда температура меняется во времени. к примеру, в момент времени t=5r, температура датчика будет составлять 0.7% от ДГ0, а при *=10т, разница между температурами уже равна 0.005%.

Теперь рассмотрим ситуацию, при той датчик теряет часть тепла в окружающую среду, т.е. г2±°°. В этом случае тепловая постоянная времени определяется как:

Переходный процесс выхода температуры на режим отображен на рис. 16.8Б. Отметим, что в данном случае температура датчика никогда не станет равной температуре объекта, сколько бы времени не прошло.

Типовой контактный датчик температуры состоит из следующих компонентов (рис. 16.ЗА):

1. чувственного элемента: материала, реагирующего на изменение его собственной температуры. Хороший элемент обладает низкой удельной теплоемкостью, малой массой, большой теплопроводностью, высокой и прогнозируемой чувствительностью

2. Контактов: проводящих пластинок или проводов, связывающих чувствительный элемент с внешней электронной схемой. Контакты должны обладать минимально возможными теплопроводностью и электрическим сопротивлением. Также они часто выполняют роль опорной конструкции.

3. Защитного корпуса: специальной оболочки или покрытия, физически разделяющего чувствительный элемент от окружающей среды. Хороший корпус имеет низкое тепловое сопротивление (высокую теплопроводность) и хорошие диэлектрические свойства. Он должен быть влагонепроницаемым, чтобы вода и другие факторы окружающей среды не могли сказаться на работе чувственного элемента.

Основное отличие контактных и бесконтактных сенсоров заключается в способе передачи тепла от объекта к элементу: в контактных датчиках задействован механизм теплопроводности через физический контакт, в бесконтактных тепло передается через излучение или оптическим методом.

Для улучшения быстродействия сенсоров тепловых излучений толщину чувственного элемента делают минимальной, в то время как для повышения чувствительности увеличивают его площадь поверхности. В дополнение к чувствительному элементу в состав бесконтактного теплового датчика может входить оптическое окошко и встроенная интерфейсная схема. Внутренняя часть корпуса датчика обычно заполняется сухим воздухом или азотом.

Все датчики температуры можно разделить на два класса: абсолютные и относительные детекторы. Абсолютные датчики измеряют температуру относительно либо абсолютного нуля, либо любой другой точки на температурной шкале, к примеру, относительно 0°С (273.15°К), 25°С и т.д. Примерами абсолютных сенсоров являются термисторы и резистивные детекторы температуры (РДТ). Такая ситуация происходит при изменении температуры окружающей среды или объекта, а также в момент присоединения датчика к объекту, когда его температура еще не успела стабилизироваться. При контакте чувственного элемента с объектом между ними происходит теплообмен.

Решение этого уравнения можно записать как:

где предполагается, что первоначально датчик находится при температуре Тв. На рис. 16.2А отображен переходный процесс установления температуры датчика, соответствующий уравнению (16.8). Постоянная времени ^определяется временем, за то температура ^достигает уровня, равного 63.2% от первоначальной разности температур ATQ, Чем меньше постоянная времени, тем быстрее датчик набирает требуемую температуру.

Рис. 16.2. Переходные характеристики чувственного элемента: А — идеальная связь датчика с объектом (нет тепловых потерь), Б — чувствительный элемент отдает часть своего тепла в окружающую среду

Из уравнения (16.8) рекомендуется, что при ?-><*>, температура датчика становиться равной температуре объекта: Т=ТГ Теоретически, для достижения полного теплового равновесия между объектом и датчиком требуется бесконечно большое время. Но поскольку обычно требуется проводить измерения с заданной точностью, в большинстве случаев считают, что через интервал времени, равный 5. 10 постоянным времени, наступает квазиравновесное состояние. Относительные датчики измеряют разность температур двух объектов, один из которых называется эталонным. Типичным представителем относительных сенсоров является термопара.

Компания "Вектор-Инжиниринг" предлагает своим партнерам профессиональную и эффективную поддержку в области инженерных систем и технологий. Компания осуществляет полный комплекс работ, связанных с созданием инженерной инфраструктуры объектов промышленного и гражданского строительства.

Проектирование, монтаж, автоматизация систем промышленной аспирации, пылеуборки и вентиляции. Поставка газоочистного оборудования. Накопленный опыт позволяет гарантировать ПДК в рабочей зоне, ПДВ пыли в атмосферу и обеспечить 100% рециркуляцию очищенного воздуха в производственное помещение, что повышает энергоэффективность предприятия. Возможен возврат уловленной пыли и просыпей обратно в технологический процесс.

Мы поставляем на российский рынок широкий спектр газоочистного оборудования, приборов и средств автоматизации из Германии, а также передовые европейские технологии вакуумной пылеуборки, абсолютно незаменимые для предприятий, использующих в производстве сыпучие и пылящие материалы.

В числе наших Заказчиков множество промышленных производств, среди которых предприятия черной, цветной металлургии, химической промышленности, строительной отрасли, например, такие как «ЕВРАЗ», «Северсталь», «ММК», группа компаний «НЛМК», «Норильский никель» и другие.

Для приобретения оборудования в Средней Азии (Узбекистан, Киргизия, Туркмения, Таджикистан), а так же в Казахстане и Республике Беларусь, просим обращаться в головной офис компании в Санкт-Петербурге.

Проблемы поверки

Поверка термометров малого погружения.

Необходимо помнить всегда, что контактный датчик показывает температуру его собственного чувствительного элемента, а не температуру объекта, в который он установлен. Чем меньше тепловое сопротивление между ЧЭ и объектом измерения и чем меньше теплообмен между ЧЭ и окружающей внешней средой, тем точнее результат измерения. Теплоотвод по корпусу термометра является одним из важнейших источников неопределенности измерения температуры. Минимальная глубина погружения термометра, необходимая для обеспечения соответствия датчика допускам нормируется для каждого типа термометров и указывается в технической документации. Показания термометров с малой глубиной погружения сильно зависят от перепада температуры между окружающей средой и объектом. В процессе испытаний таких датчиков необходимо исследовать этот эффект и учесть его при определении характеристик точности. Грубое правило для определения минимальной глубины погружения термометра: 15 диаметров датчика плюс длина чувствительного элемента. Для поверки термометров малого погружения рекомендуется применять жидкостной переливной термостат, температурное поле в котором является однородным по всему объему, включая поверхностный слой жидкости.

Поверка поверхностных термометров.

Измерение температуры поверхности удобнее всего проводить с помощью радиационных термометров. Хотя в этом случае точность сильно ограничена из-за проблемы учета излучательной способности конкретной поверхности. Более точное измерение температуры поверхности с помощью контактных термометров – очень сложная задача. Корпус поверхностного датчика обычно имеет наконечник в виде пластины или пружины, в котором размещается чувствительный элемент (термометр сопротивления, термопара или термистор). Датчик сильно прижимается к поверхности. Таким образом создается система объект – его поверхность – поверхность пластины датчика – корпус датчика – чувствительный элемент. Какова измеренная температура, т.е. температура чувствительного элемента? Ясно, что кроме температуры поверхности объекта это зависит от многих вещей: от температуры внешней среды, от температуры объекта, от теплопроводности корпуса датчика, от теплопроводности объекта. Теоретическое решение проблемы – построение уравнения теплопроводности для системы объект – датчик с учетом теплофизических свойств материалов и граничных условий теплообмена. Практическое решение – создание установок, приближающих условия использования поверхностного датчика к условиям его поверки. В этом случае температура поверхности определяется как температура тонкого слоя под поверхностью объекта и измеряется встроенным термометром. Однако необходимо при поверке создать условия окружающей среды близкие к рабочим.

Поверка в сухоблочных термостатах.

Сухоблочные термостаты – очень удобное средство поверки термометров и термопар. Они могут работать в широком температурном диапазоне, не требуют смены термостатирующей жидкости, экологически безопасны. Однако, точность поверки в таких термостатах значительно хуже, чем в жидкостных. Прежде всего это связано с трудностью выравнивания температурного поля в рабочем объеме. Если в современных жидкостных переливных термостатах перепад температуры в объеме составляет менее 0,01°С, то в самых современных сухоблочных термостатах градиент температуры по вертикали обычно не лучше 0,1 °С на длине ЧЭ образцового термометра. Европейская кооперация по аккредитации ЕА выпутила специальную рекомендацию по применению сухоблочных термостатов и калибраторов температуры, в которой приводятся условия, при которых возможно проводить поверку термометров. Ссылки на эту рекомендацию можно встретить в каталогах зарубежных фирм, выпускающих сухоблочные термостаты. Приводим основные положения рекоммендации:

1. Каналы в выравнивающем блоке должны иметь изотермическую зону длиной не менее длины чувствительного элемента поверяемого термометра, в любом случае, не менее 40 мм. Точное расположение зоны и температурный градиент в ней должны быть указаны в документации на калибратор.

2. При поверке термометров в диапазоне от -80 °С до 660 °С внутренний диаметр канала в блоке должен отличаться от внешнего диаметра поверяемого термометра не более, чем на 0,5 мм. В диапазоне от 660 °С до 1300 °С допускается различие диаметров до 1 мм. Для улучшения теплового контакта могут быть использованы различные теплопроводящие вещества, указанные в документации на калибратор.

3. Глубина погружения термометра в блок должна быть, по крайней мере, в 15 раз больше, чем диаметр термометра, плюс длина чувствительного элемента. Калибраторы рекомендуется использовать для поверки термометров, диаметр которых не более 6 мм. Для поверки термометров диаметром более 6 мм необходимы дополнительные исследования погрешности от теплоотвода по стержню термометра в окружающую среду.

4. Калибратор должен иметь свидетельство о поверке, в котором указаны следующие обязательные характеристики:

- отклонение показаний встроенного термометра от действительного значения температуры в центральном канале блока при нескольких значениях измеряемых температур;

- нестабильность поддержания температуры в канале блока за время не менее 30 мин.;

- расхождение значений температуры между каналами блока;

- вертикальный градиент температуры в изотермической зоне блока.

Характеристики должны быть определены отдельно для каждого блока, входящего в комплектацию калибратора.

В свидетельстве также должны быть указаны условия поверки калибратора, применяемые для поверки теплопроводящие вещества, средства для изоляции выравнивающего блока сверху, количество одновременно поверяемых термометров. Условия поверки термометров должны быть максимально приближены к условиям, в которых проводилась поверка калибратора.