Описание

Измерение температуры

Температура - это наиболее часто измеряемый параметр технологических процессов. Зачастую температура является определяющим фактором функционирования промышленного технологического процесса. Если измерение температуры выполняется неточно или ненадежно по той или иной причине, это может негативно сказаться на таких показателях, как эффективность технологического процесса, энергопотребление и качество продукции. Даже небольшая ошибка в измерении температуры может привести к остановке некоторых технологических процессов или очень дорого обойтись, поэтому исключительно важно иметь уверенность в том, что температура измеряется точно и надежно. Так-же температура является одним из главных параметров качества поставляемого теплоносителя и входит в формулу вычисления тепловой энергии, поэтому измерение температуры является важнейшей задачей как для потребителя тепла, так и для поставщика. Существует 2 вида приборов измерения температуры: показывющие, и преобразовывающие показания температуры в сигнал (датчики температуры).

Показывающие термометры

Показывающие термометры включают в себя термометры расширения, манометрические термометры и термоманометры. На основании действующей нормативной документации, а именно: "СП 41-101-95 Проектирование тепловых пунктов"  показывающие термометры в зависимости от тепловой нагрузки обязательно должны присутствовать.

В тепловых пунктах с расходом теплоты более 2,3 МВт:
на распределительном и сборном коллекторах водяных тепловых сетей и паропроводов;
на трубопроводах водяных тепловых сетей после узла смешения;
на подающих и обратных трубопроводах из каждой системы потребления теплоты по ходу воды перед задвижкой.

В тепловых пунктах с расходом теплоты до 2,3 МВт:
после запорной арматуры на вводе в тепловой пункт трубопроводов водяных тепловых сетей, паропроводов и конденсатопроводов;
на трубопроводах водяных тепловых сетей после узла смешения;
на обратных трубопроводах из систем потребления теплоты по ходу воды перед задвижками.

Так-же, измерение температуры показывающими термометрами предусмотрено в большинстве технологических процессов вне зависимости от сферы промышленности.

Датчики температуры

Высокие температуры, давление и уровни вибрации технологических процессов делают надежные устройства измерения температуры необходимым элементом промышленных систем. Точность, повторяемость и стабильность необходимы для согласованного управления технологическим процессом. Хотя существует несколько типов первичных преобразователей температуры,которые можно использовать, чаще всего при управлении технологическими процессами, используются в основном термопреобразователи сопротивления (ТС) и термопары (TП), и в этом разделе мы рассмотрим именно эти типы первичных преобразователей.Измерение температуры является самым популярным из всех измерений параметров технологических процессов,и часто оно оказывает самое большое влияние на эффективность, качество и безопасность технологического процесса.

Термопреобразователи сопротивления (ТС)

В основе работы термопреобразователей сопротивления (ТС) лежит тот принцип, что электрическое сопротивление металла возрастает при увеличении температуры явление, известное как «термическое сопротивление». Таким образом, измерение температуры можно осуществить, измеряя сопротивление элемента ТС. Датчики ТС выполняются из резистивного материала с прикрепленными к нему выводами и обычно помещаются в защитную оболочку. В качестве резистивного материала может использоваться платина, медь или никель. На сегодняшний день чаще всего используется платина, благодаря высокой точности, превосходной повторяемости и исключительной линейности таких первичных преобразователей в широком диапазоне, а также благодаря тому, что они демонстрируют большое изменение сопротивления на один градус изменения температуры.

Термопары (ТП)

Термопара (TП) - это термоэлектрическое устройство замкнутой цепи, чувствительное к температуре, которое состоит из двух проводников, выполненных из разнородных металлов, которые соединены на обоих концах. Электрический ток создается, когда температура на одном конце или спае, отличается от температуры на другом конце. Это явление носит название эффекта Зеебека, который является основой измерения температуры с помощью термопар. Один конец называется горячим спаем, а другой конец называется холодным спаем. Измерительный элемент с горячим спаем помещается внутрь оболочки первичного преобразователя, и на него воздействует температура технологического процесса. Холодный спай или опорный спай - это точка подключения вне технологического процесса, где температура известна и где измеряется напряжение. (например, в измерительном преобразователе, на входной плате системы управления или в устройстве формирования сигналов.)
В соответствии с эффектом Зеебека, напряжение, измеряемое на холодном спае, пропорционально разнице температур горячего и холодного спаев. Это напряжение может называться напряжением Зеебека, термоэлектрическим напряжением или термоэлектрической э.д.с. По мере роста температуры горячего спая напряжение, наблюдаемое на холодном спае, также возрастает нелинейно в зависимости от роста температуры. Линейность кривой «температура-напряжение» зависит от сочетания металлов, образующих термопару.

Термосопротивление или термопара?

Долгие годы считалось, что использование термопар обладает рядом преимуществ, но большинство из них не имеет большого значения для применения в промышленных технологических процессах. Хотя некоторые термопары, выполненные из проволоки большого сечения, обладают достаточной прочностью и стойкостью к вибрациям,  правильно выбранный и установленный резистивный датчик температуры в правильно сконструированной защитной гильзе подходит для работы с потоком среды, имеющим высокую скорость, или для работы с жидкостями, и даже в атомной промышленности. Считается, что термопары дешевле, но если принять во внимание стоимость удлинительных проводов, влияние более частых калибровок и замен, и меньшей точности на технологический процесс, это преимущество нивелируется. На самом деле во многих случаях стоимость эксплуатации установки с термопарами вполне может превысить стоимость эксплуатации системы на основе ТС. Наиболее веским аргументом в пользу использования термопар является ситуация, когда измеряемая температура выходит за пределы диапазона, в котором практически могут работать ТС. Возможный верхний предел температуры для ТС составляет примерно 850°C (1500°F). В системах, где осуществляется только отслеживание тенденций изменения и погрешности в несколько градусов могут быть допустимы, узлы многоточечных или одиночных термопар могут иметь преимущество низкой стоимости, если они подключаются проводами к многоканальному измерительному преобразователю или мультиплексору. В системах управления технологическими процессами, и особенно в системах ПАЗ, правильно спроектированная и установленная система ТС очевидно является лучшим вариантом при температурах ниже 500 °C (900 °F). При более высоких температурах, до 850 °C, возможен более сильный дрейф показаний, который может нивелировать некоторое преимущество в точности.

Сравнительная таблица

ХарактеристикиТермосопротивлениеТермопара
Точность
Класс A: ± [0,15 + 0,002 (t) ]
Класс B: ± [0,30 + 0,005 (t) ] 		Типовое значение ± 1,1 °C или ± 0,4% от измеряемой температуры (в зависимости от того, какое из значений больше). Зависит от типа и диапазона. Ухудшается при использовании удлинительных проводов.
Стабильность± 0,05 °C в течение 1000 часов при темп. <300°C. Возрастает при более высоких температурах. Проводные лучше тонкопленочных.Сильно зависит от типа термопары, качества проволоки и рабочей температуры.Типичное значение от ± 2 до 10 °C за 1000 часов.
БыстродействиеВ случае 6-мм первичного преобразователя -
примерно такое же, как у термопары.		В случае 6-мм первичного преобразователя - примерно такое же, как у ТС. У 3-мм первичного преобразователя
быстродействие несколько выше.
КалибровкаЛегко перекалибруются, что обеспечивает
длительный срок службы. Лучшая точность достигается при согласовании первичного и измерительного преобразователей.		Ограничивается сравнением с "эталонной термопарой" на месте установки.
Диапазон температурот -200 до 850 °Сот -270 до 2 300 °С
Особенности монтажаИспользование стандартных медных проводов. Хорошая стойкость к ЭМП и РЧП.Требуют дорогостоящего компенсационного провода.
Сигнал низкого уровня очень чувствителен к ЭМП и РЧП.
Стойкость к вибрацииТонкопленочные конструкции обладают очень высокой стойкостью.Изделия из проволоки большого диаметра обладают очень высокой стойкостью.
СтоимостьВ случае тонкопленочных изделий - примерно такая же, как и у термопар. Проводные изделия дороже.Наиболее дорогие изделия типа R и S.