3.4.1. Сущность термоэлектрического метода
измерения температуры
В основу измерения температуры с помощью термоэлектриче-
ских термометров положены термоэлектрические явления, открытые
Зеебеком в 1821 г. При соединении одних концов двух одинаково на-
гретых проводников из разнородных материалов, причем в первом
материале количество свободных электронов в единице объема боль-
ше, чем во втором, последние будут диффундировать из первого
проводника во второй в большем числе, чем обратно. Таким образом,
второй конец первого проводника станет заряжаться положительно,
а второго проводника — отрицательно. Образующееся при этом в
месте соединения (спае) проводников электрическое поле будет
противодействовать этой диффузии, в результате чего наступит со-
стояние подвижного равновесия, при котором между свободными
(вторыми) концами указанных проводников появится некоторая раз-
ность потенциалов. С увеличением температуры проводников значе-
ние этой разности также увеличивается. Если взять цепь (рис. 3.4, а),
составленную из двух различных проводников AviB (например, меди
и платины), то при подогреве спая / в цепи появится электрический
ток, который в более горячем спае / направлен от платины В к меди А,
а в холодном спае 2 — от меди к платине. При подогреве спая 2 ток
получает обратное направление. Такие токи называются термоэлек-
трическими. Электродвижущая сила, обусловленная неодинаковыми
температурами мест соединения 1 и 2, называется термоэлектро-
движущей силой (термоЭДС), а создающий ее преобразователь — тер-
моэлектрическим преобразователем или термопарой (ТП). Спай
7, погружаемый в измеряемую среду, называется рабочим или горя-
чим спаем термопары; второй спай 2 носит название свободного, или
холодного, спая. Проводники, образующие термопару, называются
термоэлектродами.
Суммарную электродвижущую силу ЕЛВ замкнутой цепи из про-
водников А и В, спаи которой нагреты до температур 0 и 9„ можно
выразить уравнением
Таким образом, ЭДС термоэлектрического преобразователя при
постоянной температуре холодного спая 2 зависит только от темпе-
ратуры горячего спая 1. Если для данной термопары эксперименталь-
но, т.е. путем градуировки, найдена зависимость (3.16), то измерение
температуры 9, сводится к определению термоЭДС, которая невели-
ка (9,01...9,06 мВ на 1 °С), но все же достаточна для измерения по-
средством измерительного прибора. Он включается в разрыв холод-
ного спая термопары 2 (рис. 3.4, б) при помощи проводников С.
В этом случае термоЭДС, развиваемая термопарой, равна
Уравнение (3.17) совпадает с основным уравнением термоэлектри-
ческих преобразователей (3.15). Поэтому включение в цепь термо-
пары соединительных проводов и измерительных приборов на рабо-
ту термопары не влияет.
3.4.2. Типы термопар, их градуировочные
характеристики
В качестве термоэлектродных материалов ТП преимущественно
применяются те металлы и сплавы, которые в паре друг с другом раз-
вивают сравнительно большие термоЭДС. К термоэлектродным ма-
териалам предъявляется ряд требований, таких как жаростойкость и
механическая прочность; химическая инертность; термоэлектрическая
однородность; стабильность и воспроизводимость термоэлектрической
характеристики; однозначная, желательно близкая к линейной, за-
висимость термоЭДС от температуры; высокая чувствительность.
Наибольшее распространение для изготовления термоэлектри-
ческих термометров получили платина (Pt), платинородий (90 %
Pt+ 10 % Rh), хромель (9,5 % Cr + 90,5 % Ni), алюмель (94,5 % Ni +
+ 2 % А1 + 1 % Si + 2,5 % Мп) и копель (55,4 % Си + 44 % Ni +
+ 0,5 % Мп + 0,1 % Fe). Для измерений в лабораторных установках
находят также применение медь, железо, константан и др. Наиболее
распространенными типами ТП являются: ТХА (ЛГ-тип по междуна-
родному обозначению) — хромель — алюмелевые; ТХК (J L- ТИП) —
хромель — копелевые; ТПП (б'-тип) — платинородий — платиновые
и т.д. При наименовании ТП первым обычно указывается положи-
тельный термоэлектрод.
ТП типа ТПП применяются для измерения температур в области
300... 1600 "С в окислительной и нейтральной среде. Эти ТП нахо-
дятся в числе лучших термоэлектрических преобразователей по точ-
ности и воспроизводимости термоЭДС. ТП типа ТХК широко при-
меняются для измерения температур различных сред в области от
-200 °С до +600 °С. ТП типа ТХА применяются для измерения тем-
ператур газовых сред, пара и жидкостей в области от -200 °С до
+ 800 "С.
В явном виде зависимость (3.16) не может быть получена аналитиче-
ски с достаточной точностью. Поэтому при измерении температур эта
зависимость для различных типов ТП устанавливается эксперименталь-
но путем градуировки и построения графика или таблицы зависимости
термоЭДС от температуры. При градуировке ТП температура свободных
концов Ɵ0 обычно поддерживается постоянной и равной О "С.
В общем случае характеристика ТП имеет вид, показанный на
рис. 3.4, в. При измерениях в реальных условиях температура сво-
бодных концов (холодного спая) ТП 0, не равна О °С, что приводит к
необходимости введения поправки. Если 9, > О °С, термоЭДС ТП,
приведенная к О °С, равна
где Е( Ɵ2, Ɵ0) — поправка на температуру холодного спая термопары;
Е(Ɵ2, Ɵ1)— результат измерения термоЭДС в реальных условиях. При
температуре же холодного спйя ТП, меньшей 0 °С, т. е. при Ɵ1< 0 °С,
приведенная термоЭДС равна
Таким образом, перед определением температуры по градуиро-
вочной таблице к результату измерения прибавляется поправка или
вычитается из результата (при температуре холодного спая соот-
ветственно больше или меньше 9 °С). Такой ручной способ введения
поправки требует наличия вспомогательного термометра, например
ртутного, и градуировочной таблицы соответствующего типа ТП.
В настоящее время поправки на температуру свободных концов ТП
вводятся автоматически при помощи специальных термокомпенси-
рующих устройств. Эти устройства располагаются отдельно или
встраиваются во вторичный прибор.
ТП и вторичный прибор (ВП) соединяются между собой при по-
мощи проводов, которые называются удлинительными или компен-
сационными. Эти провода состоят из двух жил, изготовленных из
металлов или сплавов, имеющих одинаковые или схожие термоэлек-
трические свойства с термоэлектродами ТП. Посредством удлиняю-
щих проводов производится как бы удлинение термоэлектродов ТП,
позволяющее отнести свободные концы от объекта измерения в ме-
сто установки ВП. Для ТП из неблагородных металлов удлиняющие
провода изготавливаются чаще всего из тех же материалов, что и
термоэлектроды ТП. Для ТП из благородных металлов в целях уде-
шевления удлиняющие провода выполняются из материалов, раз-
вивающих в паре между собой примерно ту же термоЭДС в диапазо-
не изменения температуры в месте установки ВП, что и ТП.
3.4.3. Конструкция термопары
ТП представляет собой две проволоки из разнородных материалов,
нагреваемые концы которых скручиваются, а затем спаиваются или
свариваются. Конструкция ее аналогична конструкции терморезисто-
pa (см. рис. 3.2, а). В металлическом корпусе расположены термоэлек-
троды с изоляционными трубками, изготовленными из фарфора или
окислов алюминия, магния, бериллия. Рабочий спай термопары обыч-
но приваривается к дну корпуса. К термоэлектродам в соединительной
головке через разъем подсоединяются удлинительные провода. Термо-
пара вводится в объект измерения и крепится на нем с помощью
штуцера. Выпускаются ТП с одним чувствительным элементом (оди-
нарные) и с двумя (двойные). Двойные ТП применяются для измере-
ния температуры объекта двумя вторичными приборами, установлен-
ными в разных местах. Длина погружаемой части ТП в измеряемую
среду выполняется различной для каждого конкретного типа ТП.
3.4.4. Измерительные схемы для термопар
Наиболее широко используется компенсационный метод измере-
ния термоЭДС. Этот метод основан на компенсации неизвестной
термоЭДС, развиваемой термопарой ТП, известным падением рабо-
чего напряжения Up, создаваемым током от дополнительного источ-
ника питания Un (рис. 3.5, а).
Замкнутый контур I содержит дополнительный источник Un и
реохорд Rp. Реохорд представляет собой переменный резистор из
тонкой калиброванной проволоки (выполненной из специального
сплава), намотанной на цилиндрический стержень и снабженный
подвижным контактом для изменения сопротивления. Этот контур
называется компенсационным. Второй контур II (контур abed) вклю-
чает в себя термопару (ТП), термоЭДС, Етп которой измеряется,
чувствительный гальванометр, выполняющий функции нуль-
индикатора (НИ), а также часть реохорда rр от точки d до подвижно-
го контакта с движком реохорда. Источник измеряемой термоЭДС
Етп включен встречно с дополнительным источником U„ так, что токи
от обоих источников на участке гр идут в противоположных направ-
лениях. Для контура abed на основании второго закона Кирхгофа
можно записать:
Подставляя равенство (3.21) в (3.20), для падения напряжения на
термопаре получим, что
Равенство нулю тока через НИ означает, что ток в контуре II не
протекает, следовательно, потребления мощности от ТП не проис-
ходит, т. е.
Изменение сопротивления rv на участке cd реохорда прямо про-
порционально линейному перемещению движка реохорда Rp,
т. е. измерительная шкала линейная и прибор можно проградуировать
в единицах измерения термоЭДС. Для сохранения градуировки не-
обходимо в равенстве (3.23) обеспечить постоянство рабочего тока,
т. е. Iр = к = const. Для этого в схеме предусмотрены миллиамперметр
(мА) без оцифрованных отметок и переменное балластное сопро-
тивление R6. Перед измерением, в связи с тем что источник питания
со временем меняет свое напряжение Un, проводится контроль рабо-
чего тока. Для этого изменением сопротивления R6 стрелка милли-
амперметра подводится к соответствующей отметке на шкале. Таким
образом, компенсационная схема работает в двух режимах: 1) кон-
троль рабочего тока (мА); 2) измерение (НИ). Для подключения
термопары к измерительной схеме применяется проводная линия
связи, имеющая свое сопротивление R„c. Под воздействием темпера-
туры окружающей среды его значение изменяется, но так как в момент
отсчета результата измерения ток в контуре abed равен нулю, потре-
бление энергии в линиях связи отсутствует, т. е. изменение сопротив-
ления линии связи, а также внутреннего сопротивления термопары
при изменении температуры окружающей среды на результат измере-
ния в компенсационных схемах не влияет.
Компенсационный метод измерения термоЭДС реализован в ав-
томатических потенциометрах (рис. 3.5, б). В данной схеме из-
меряемая термоЭДС компенсируется (уравновешивается) напряже-
нием измерительной диагонали моста, работающего в неуравнове-
шенном режиме. В качестве нуль-индикатора в автоматических
потенциометрах используется электронный усилитель (ЭУ).
Для питания мостовой измерительной схемы используется источ-
ник стабилизированного питания ИПС, в котором напряжение пере-
менного тока 6,3 В выпрямляется и стабилизируется в выходное на-
пряжение постоянного тока 5 В. При помощи сопротивления Ry
напряжение на диагонали питания моста Uab устанавливается равным
1,019 В. Следует отметить, что сопротивление стабилизации Ry подо-
брано с малым температурным коэффициентом сопротивления
(ТКС), что обеспечивает его постоянство при изменениях темпера-
туры окружающей среды. Таким образом, происходит стабилизация
рабочих токов I1 и I2 в ветвях моста.
Процесс измерения основан на постоянном контроле равенства
термоЭДС Ет п и напряжения Ucd, возникающего на измерительной
диагонали мостовой схемы (между точками c u d):
Если это равенство нарушается, на входе ЭУ появляется напряже-
ние ∆ U, которое будет равно ∆U = Е1П — Ucd. На выходе ЭУ форми-
руется управляющий сигнал, под действием которого ротор ревер-
сивного двигателя (РД) поворачивается на определенный угол, про-
порциональный абсолютному значению напряжения ∆U (направление
угла поворота ротора РД зависит от знака напряжения ∆ U). Угловое
перемещение ротора РД преобразуется в линейное перемещение
движка реохорда, т. е. компенсация осуществляется за счет изменения
параметра λ в равенстве (3.24). Движок реохорда Rw перемещается
до тех пор, пока сигнал разбаланса не станет равным нулю. Дости-
жение полного равенства измеряемой термоЭДС и компенсирующе-
го напряжения на измерительной диагонали моста Ет = E(Ɵ, Ɵ1) = Ucd
достигается благодаря тому, что система автокомпенсации является
астатической из-за наличия в системе регулирования разбаланса
интегрирующего звена, в качестве которого выступает РД. В резуль-
тате каждому новому значению температуры горячего спая 0 соот-
ветствует новое положение движка реохорда.
ТермоЭДС, как уже отмечалось, зависит от разности температур
горячего и холодного спая и, следовательно, изменяется при измене-
нии любой из них. Движок реохорда, связанный с указателем шкалы,
должен перемещаться только при изменении измеряемой температу-
ры, т. е. температуры горячего спая. Это достигается посредством
автоматического введения поправки на температуры холодного спая
с помощью компенсационного резистора RM. Этот резистор выпол-
няется из медной проволоки и находится рядом с местом подключе-
ния свободных концов термопары (удлинительных проводов), т. е. их
температура одинакова и соответствует температуре окружающей
среды. Пусть, например, эта температура возросла, в результате чего
термоЭДС уменьшилась на ∆Етп. Одновременно с этим сопротивле-
ние резистора RM возрастет на ∆ Ru и уравнение компенсации (3.24)
примет вид
т. е. изменение термоЭДС в этом случае компенсируется изменением
сопротивления компенсационного резистора:
В настоящее время широкое распространение получили преоб-
разователи термоЭДС в унифицированный электрический сигнал,
что позволяет подключать термопары сразу к контроллеру. Принцип
действия такого преобразователя рассмотрен в гл. 9.
Контрольные вопросы
1. Дайте определение понятия «температура».
2. Перечислите основные виды температурных шкал.
3. Назовите основные конструктивные части манометрических термомет-
ров.
4. Какие типы термометров сопротивлений вы знаете?
5. Каков физический смысл температурного коэффициента сопротивле-
ния?
6. Дайте словесную формулировку условия равновесия моста.
7. Дайте определение понятия «термоэлектрический эффект».
8. Что такое холодный и горячий спай термопары?
9. Назовите основные термоэлектродные материалы и типы термопар.
10. Как изменится термоЭДС при включении в цепь термопары третьего
проводника?
Гл а в а 4
ИЗМЕРЕНИЕ УРОВНЯ
4.1. Общие сведения об измерении уровня.
Классификация средств измерения уровня
Уровнем называют высоту заполнения технологического объекта
(емкости, резервуара, аппарата) рабочей средой — жидкостью или
сыпучим веществом. Информация об уровне является ключевой для
организации контроля и управления технологическими процессами
при добыче, транспорте и переработке нефтепродуктов. Уровень из-
меряют в единицах длины. Средства измерения уровня называют
уровнемерами.
По принципу действия уровнемеры можно подразделить на сле-
дующие группы:
• визуальные;
• поплавковые, которые основаны на определении положения
поплавка, находящегося на поверхности жидкости или на границе
двух сред;
• буйковые, которые основаны на измерении выталкивающей
силы, действующей на массивное тело (буек), частично погруженное
в жидкость;
• гидростатические, основанные на измерении гидростатическо-
го давления столба жидкости;
• электрические, в которых используется зависимость измеряе-
мого уровня от электрических параметров рабочей среды (диэлектри-
ческая проницаемость, проводимость);
• акустические, основанные на принципе отражения от поверх-
ности жидкости звуковых волн;
• радарные, основанные на принципе отражения от поверхности
сигнала сверхвысокой частоты (СВЧ);
• радиоизотопные, основанные на использовании интенсивности
потока ядерных излучений, зависящего от уровня жидкости.
Акустические и радарные уровнемеры относятся к бесконтактно-
му, а остальные — к контактному типу.
Приведенная классификация является общепринятой и охваты-
вает широко распространенные уровнемеры. Существуют уровнеме-
ры, в которых используется комбинация нескольких принципов
действия.
СИ уровня делятся также на приборы для непрерывного слежения
за уровнем (собственно уровнемеры) и приборы для сигнализации
о предельных значениях уровня (сигнализаторы уровня). По диапа-
зону измерения различают уровнемеры широкого (0... 20) м и узко-
го (0 ± 0,5) м диапазонов.
4.2. Уровнемеры непрерывного действия
4.2.1. Визуальные уровнемеры
К визуальным уровнемерам относятся мерные рейки, рулетки,
уровнемерные стекла и т.д. Наиболее распространенными уровне-
мерами данного вида являются уровнемерные стекла, действующие
по закону сообщающихся сосудов. Указательное стекло соединяется
с емкостью нижним концом (для открытых сосудов) или обоими
концами (для сосудов с избыточным давлением или разрежением).
Наблюдая за положением уровня жидкости в стеклянной трубке,
можно судить об изменении уровня в емкости. Указательные стекла
снабжают вентилями или кранами для отключения их от сосуда и
продувки системы. Из-за низкой прочности указательные стекла не
рекомендуется употреблять длиной более 0,5 м, поэтому при контро-
ле уровня, изменяющегося больше чем на 0,5 м, устанавливают не-
сколько стекол так, чтобы верх предыдущего стекла перекрывал низ
последующего.
Указательные стекла рассчитаны на давление до 2,94 МПа и тем-
пературу до 300 "С. Абсолютная погрешность измерения уровня с
помощью уровнемерных стекол составляет ± (1...2) мм.
4.2.2. Поплавковые уровнемеры
Поплавковые м е х а н и ч е с к и е уровнемеры являются наиболее
простыми среди существующих разновидностей уровнемеров. Полу-
чили распространение поплавковые уровнемеры узкого (0 ± 200) мм
и широкого (0...20) м диапазонов. Поплавковые уровнемеры узкого
диапазона обычно представляют собой устройства, содержащие ша-
рообразный или цилиндрический поплавок диаметром 80...200 мм,
выполненный из нержавеющей стали или полипропилена. Поплавок
плавает на поверхности жидкости и через штангу и специальное
сальниковое уплотнение соединяется либо со стрелкой измеритель-
ного прибора, либо с преобразователем угловых перемещений в
унифицированный электрический или пневматический сигнал. Класс
точности этих уровнемеров составляет 1.5. Поплавковые уровнемеры
широкого диапазона представляют собой поплавок, связанный с
грузом гибким тросом. В нижней части груза укреплена стрелка,
указывающая на шкале значения уровня жидкости в резервуаре. При
расчетах поплавковых уровнемеров подбирают такие конструктивные
параметры поплавка, которые обеспечивают состояние равновесия
системы «поплавок—груз» только при определенной глубине погру-
жения поплавка. Если пренебречь силой тяжести троса и трением в
роликах, состояние равновесия системы «поплавок—груз» описыва-
ется уравнением
где Gr, Gu — силы тяжести груза и поплавка соответственно; S — пло-
щадь поперечного сечения поплавка; h1, — глубина погружения по-
плавка; рж — плотность жидкости.
Повышение уровня жидкости изменяет глубину погружения по-
плавка и создает дополнительную выталкивающую силу, действую-
щую на нее. В результате приведенное выше равенство нарушается,
и груз поднимается до тех пор, пока глубина погружения поплавка не
станет равной А,. При понижении уровня действующая на поплавок
выталкивающая сила уменьшается, и поплавок начинает опускаться
до тех пор, пока глубина погружения поплавка не станет равной /г,.
Абсолютная погрешность измерения выпускаемых уровнемеров со-
ставляет ± 4 и ±10 мм.
В поплавковых м а г н и т о с т р и к ц и о н н ы х уровнемерах
(рис. 4.1) для определения положения поплавка используется магни-
тострикционный эффект. Направляющая труба 1 содержит в себе
волновод 2 (тонкая проволока из никелевого сплава), по которому
через фиксированные промежутки времени распространяются ко-
роткие импульсы тока. При распространении импульса тока возни-
кает радиальное магнитное поле вокруг волновода. Поплавок 3 с по-
стоянным магнитом 4 перемещается вместе с изменением уровня по
трубе. При пересечении магнитного поля токового импульса с маг-
нитным полем постоянного магнита в месте нахождения поплавка в
волноводе возникает крутильная деформация (магнитострикционный
эффект), которая в виде механической (ультразвуковой) волны рас-
пространяется вдоль волновода с известной скоростью в оба конца.
Пьезоэлемент, размещенный в корпусе 5 вторичного преобразовате-
ля, преобразует полученные механические волны в электрический
импульс. С помощью микропроцессорной электроники измеряется
интервал времени между отправленным и принятым импульсами,
который пропорционален измеряемому уровню.
4.2.3. Буйковые уровнемеры
Принцип действия буйковых уровнемеров основан на том, что на
погруженное в жидкость тело действует со стороны жидкости вы-
талкивающая сила. По закону Архимеда эта сила равна массе жидко-
сти, вытесненной телом. Количество вытесненной жидкости зависит
от глубины погружения тела, т.е. от уровня жидкости в емкости.
Таким образом, в буйковых уровнемерах измеряемый уровень пре-
образуется в пропорциональную ему выталкивающую силу. Чувстви-
тельным элементом в этих уровнемерах является цилиндрический
буек, изготовленный из материала с плотностью, большей плотности
жидкости. Зачастую буек выполнен в виде трубы из нержавеющей
стали, запаянной с обеих концов, к одному из которых приделан
крючок. Буек находится в вертикальном положении и частично по-
гружен в жидкость.
Длина буйка подбирается приближенной к максимальному из-
меряемому уровню в аппарате.
При изменении уровня жидкости в аппарате согласно закону Ар-
химеда выталкивающая сила, действующая на буек, равна
где рж — плотность измеряемой жидкости; g — ускорение свободно-
го падения; V— объем вытесненной буйком жидкости; S— площадь
поперечного сечения буйка; h — длина буйка, погруженного в жид-
кость.
Выталкивающее усилие измеряется различными способами — на-
пример, во вторичном измерительном преобразователе с помощью
тензоэлемента преобразуется в сопротивление, а затем в унифици-
рованный сигнал, например в ток.
Минимальный диапазон измерений буйковых уровнемеров со-
ставляет (0...0,02) м, максимальный — (0... 16) м. Буйковые уровне-
меры применяются при температуре рабочей среды от - 40 до +400 °С
и давлении до 16 МПа. Основная приведенная погрешность буйковых
уровнемеров лежит в пределах 0,5... 1,5 %.
4.2.4. Гидростатические уровнемеры
Измерение уровня гидростатическими уровнемерами сводится к
измерению гидростатического давления Р, создаваемого столбом
жидкости h постоянной плотности р, согласно равенству
P =pgh.
Измерение гидростатического давления может осуществляться не-
сколькими способами. Самый простой из них — измерение уровня
манометром (М), подключаемым на высоте, соответствующей нижне-
му предельному значению уровня. Применяемый для этих целей ма-
нометр может быть любого типа с соответствующими пределами из-
мерений.
Измерение гидростатического давления таким методом целесо-
образно в резервуарах, работающих при атмосферном давлении.
В противном случае показания М будут складываться из гидроста-
тического и избыточного давлений. Для измерения уровня жидкости
в технологических аппаратах, находящихся под давлением, широкое
применение получили дифференциальные манометры, подключае-
мые к резервуару на высоте, соответствующей нижнему предельному
значению уровня, и к газовому пространству над жидкостью. С по-
мощью дифманометров возможно также измерение уровня жидкости
в открытых резервуарах и уровня раздела жидкостей.
Гидростатические уровнемеры применяются для однородных жид-
костей в емкостях без существенного движения рабочей среды. Они
позволяют производить измерения в диапазоне до 250 кПа, что соот-
ветствует уровню 25 м (для воды), с точностью до 0,1 % при избыточ-
ном давлении до 10 МПа и температуре рабочей среды в диапазоне
-40... + 120 "С. Важным достоинством гидростатических уровнемеров
является высокая точность при относительной дешевизне и простоте
конструкции. Существенным недостатком является большая погреш-
ность от изменения температуры контролируемой среды.
4.2.5. Емкостные уровнемеры
Принцип действия емкостных уровнемеров основан на зависимо-