Автоматизированные системы управления химико- технологическими

Автоматизированные
системы управления
химикотехнологическими
процессами
Доцент, к.т.н., Вильнина Анна Владимировна
1
Возможности автоматического управления:
 Автоматический пуск и останов производства;
 Автоматический контроль технологических
параметров;
 Автоматическое прогнозирование ведения
технологического процесса;
 Поддержание заданных технологических режимов;
 Повышение качества производимой продукции;
 Повышение производительности;
 Снижение затрат сырья, энергии на производство ед.
продукции;
 Безопасность;
 Надежность;
 Предупреждение загрязнения окружающей среды.
2
Функции:
 Диагностика;
 Сигнализация:
 Блокировка, защита, аварийное отключение;
 Регулирование технологическими параметрами
3
Системы автоматического контроля
Системой автоматического контроля (САК)
называют систему, состоящую из объекта
управления, контрольно-измерительных приборов,
выполняющих функции измерения и различных
устройств для преобразования и хранения
полученной информации.
Объектом управления называется управляемый
технологический процесс (ТП) вместе с
оборудованием, в котором он осуществляется.
4
Задачи САК
• Измерение технологических параметров (это
значения величин характеризующие состояние
объекта);
• Сравнение полученных значений с регламентами
и аварийными границами;
• Регистрация параметров и отклонений от
заданных значений;
• Сигнализация аварийных и регламентных
отклонений.
5
Классифицирующие признаки САК
1. Число точек (одноточечные и многоточечные).
2. По характеру контролируемых параметров. (универсальные
(используют унифицированные сигналы), специализированные).
3. Точности (в рамках установленных по ГОСТу классов точности).
4. Быстродействию.
5. Способ выбора (обегающий, выборочный).
6. Расстоянию от объекта:
a) местные;
b) дистанционные;
c) телемеханические.
7. Видам обрабатываемых сигналов:
a) аналоговые ,
b) дискретные,
c) цифровые.
8. Наличию микропроцессорных средств.
9. Надежности.
6
Государственная система приборов
Государственная система промышленных приборов и
средств автоматизации (ГСП) создана с целью обеспечения
техническими средствами систем контроля, регулирования и
управления технологическими процессами в различных
отраслях народного хозяйства.
В основу создания и совершенствования ГСП положены
следующие системотехнические принципы:
• типизация и минимизация многообразия функций автоматического
контроля, регулирования и управления;
• минимизация номенклатуры технических средств;
• блочно-модульное построение приборов и устройств;
• агрегатное построение систем управления на базе унифицированных
приборов и устройств;
• совместимость приборов и устройств.
7
Классификация изделий ГСП
По функциональному признаку все изделия ГСП
разделены на следующие четыре группы устройств:
• получения информации о состоянии процесса или объекта;
• приема, преобразования и передачи информации по каналам связи;
• преобразования, хранения и обработки информации, формирования
команд управления;
• использования командной информации.
По виду энергии носителя сигналов:
•
•
•
•
электрические,
пневматические,
гидравлические,
устройства, работающие без использования вспомогательной энергии
- приборы и регуляторы прямого действия.
8
Виды входных сигналов
Основные виды
унифицированных входных сигналов
Вид сигнала
Электрический
Пневматический
Физическая величина
Параметры сигнала
Постоянный ток
Переменное напряжение
0…5, 0…20, -5…0…+5,
4…20 мА
0…10, 0…20,
–10…0…+10 мВ;
0…10, 0…1,
–1…0…+1 В
0…2, -1…0…+1 В
Частота
4…8, 2…4 кГц
Давление
20…100 кПа
Постоянное напряжение
9
Классификация изделий ГСП
По защищенности от воздействия окружающей среды:
•
•
•
•
Пылезащищенные,
Водозащищенные,
Взрывобезопасные,
Защищенные от агрессивной среды.
10
Классификация изделий ГСП
ГОСТ Р 52931-2008 - ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И
РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
По защищенности от воздействия окружающей среды изделия
подразделяют на следующие исполнения:
• обыкновенное - изделия степени защиты IP00 по ГОСТ 14254.
Изделия, не предназначенные для работы в условиях
воздействия твердых посторонних тел, воды, взрывоопасной и
агрессивной среды, интенсивных механических воздействий;
• защищенное от попадания внутрь изделия твердых тел (пыли) степени защиты IP3X, IP4X или IP5X по ГОСТ 14254;
• защищенные от попадания внутрь изделия воды - степень
защиты IPX0 или IPX1 по ГОСТ 14254;
11
Классификация изделий ГСП
• защищенные от агрессивной среды;
• взрывозащищенные - по ГОСТ 22782.5 (с видом взрывозащиты
«искробезопасная электрическая цепь»);
• защищенные от других внешних воздействий (температуры,
давления, резкие смены температуры).
По стойкости к механическим воздействиям изделия подразделяют
на исполнения:
• виброустойчивое,
• вибропрочное,
• удароустойчивое,
• ударопрочное.
Изделия могут быть изготовлены в исполнениях, сочетающих
несколько видов защиты.
12
Классификация изделий ГСП
Группы исполнений по ГОСТ Р 52931-2008.
 L1, L2, L3, LX - при размещении в месте,
защищенном от существенных вибраций. Могут
появляться вибрации только низкой частоты.
 N1, N2, N3, N4, NX - при типовом размещение на
промышленных объектах, где изделия подвержены
вибрации от работающих механизмов.
 V1, V2, V3, V4, V5, VX - при размещении в местах
на промышленных объектах при условии, что
существует вибрация с частотой, превышающей 55
Гц .
13
Состав кода IP
14
Элементы кода IP и их обозначения
Первая
характеристичес
кая цифра
Вторая
характеристичес
кая цифра
Значение для защиты оборудования
0
1
2
3
4
5
6
0
1
2
3
4
5
6
7
8
нет защиты
диаметром 50 мм
диаметром 12,5 мм
диаметром 2,5 мм
диаметром 1,0 мм
пылезащищенное
пыленепроницаемое
От вредного воздействия в результате
проникновения воды:
нет защиты
вертикальное каплепадение
каплепадение (номинальный угол 15°)
дождевание
сплошное обрызгивание
действие струи
сильное действие струй
временное непродолжительное
погружение
длительное погружение
Значение для
защиты людей
нет защиты
Тыльной стороной руки
пальцем
инструментом
проволокой
проволокой
проволокой
15
Элементы кода IP и их обозначения
Дополнительная
буква (при
A
необходимости)
B
От доступа к опасным частям:
тыльной стороной руки
пальцем
C
инструментом
D
проволокой
Вспомогательна
я буква (при
необходимости)
H
M
S
Вспомогательная
информация, относящаяся
к
высоковольтным
аппаратам
состоянию движения во
время испытаний защиты
от воды
состоянию неподвижности
во
время испытаний защиты
от воды
16
Определения и понятия метрологии
Метрология – наука об измерениях физических
величин, методах и средствах обеспечения их
единства, способах достижения требуемой
точности.
Измерение – определение числового значения
физической величины с использованием
специальных технических средств.
17
На качество управления технологическим
процессом влияет погрешность измерений
технологических параметров.
Метрологическое обеспечение измерительных
систем предусматривает наличие:
 Описание погрешности измерений;
 Описание входных сигналов;
 Описание условий эксплуатации;
 Методы испытаний метрологических
характеристик.
18
Определения и понятия метрологии
Существует 4 вида измерений: прямые,
косвенные, совокупные и совместные.
Прямыми называют такие измерения, при
которых значение измеряемой величины определяют
непосредственно из опытных данных (измерение
температуры термометром).
Прямые измерения производят следующими
основными методами:
• метод непосредственной оценки;
• дифференциальный (разностный) метод;
• метод противопоставления;
• нулевой (компенсационный) метод.
19
Определения и понятия метрологии
Косвенными называют такие измерения, при
которых измеряемую величину определяют на
основании известной зависимости между этой
величиной и величинами, подвергаемыми прямым
измерениям.
При совокупных измерениях значения
измеряемой величины определяют решением
системы уравнений, полученных из совокупности
прямых измерений одной или нескольких
одноименных величин.
20
Определения и понятия метрологии
Совместные измерения предусматривают
одновременное измерение двух или нескольких
неодноименных величин для отыскания
зависимости между ними.
Виды средств измерений:
• мера,
• измерительные приборы,
• измерительные преобразователи
• измерительные установки.
21
Определения и понятия метрологии
Мерой называется средство измерений,
предназначенное для воспроизведения физической
величины заданного размера (гиря – мера массы).
Измерительным прибором называют средство
измерений, служащее для выработки сигнала
измерительной информации (электрического,
пневматического) в форме, доступной для
непосредственного восприятия наблюдателем. По
форме выдачи сигнала приборы подразделяются на
аналоговые и цифровые.
22
Определения и понятия метрологии
Измерительный преобразователь – средство
измерений, предназначенное для выработки сигнала
измерительной информации в форме, удобной для
передачи и дальнейшего преобразования, обработки
и хранения, но не воспринимающейся
непосредственно наблюдателем.
При централизованном контроле любой
измерительный прибор состоит из трех основных
узлов: первичного преобразователя (датчик), канала
связи и вторичного прибора.
23
Определения и понятия метрологии
Первичный преобразователь – измерительное
устройство, установленное на объекте измерения,
преобразует контролируемую величину в выходной
сигнал, удобный для передачи по каналу связи.
Сигналы, вырабатываемые датчиками, не всегда
можно напрямую передать без дополнительного
преобразования к устройствам обработки и
хранения данных. Для этих целей применяют
нормирующие преобразователи.
24
Определения и понятия метрологии
Нормирующие преобразователи (нормализаторы)
– это устройства, преобразующие сигналы от
датчиков в сигналы унифицированных диапазонов,
принятых в ГСП.
Классификация первичные преобразователи:
• по виду контролируемой величины (преобразователи
температуры, давления, расхода);
• по принципу действия (электрические, пневматические);
• по виду и характеру выходного сигнала (непрерывный,
дискретный).
25
Определения и понятия метрологии
К характеристикам первичных преобразователей
относятся:
• статическая характеристика;
• динамическая характеристика;
• чувствительность;
• погрешность (1, 1.5, 2, 2.5, 3, 4, 5, 6 *10к,
где к=0,-1,-2.).
Канал связи служит для передачи сигнала от
первичного преобразователя к вторичному прибору.
26
Определения и понятия метрологии
Вторичный прибор – устройство, воспринимающее
сигнал от первичного преобразователя и
выражающее его в численном виде при помощи
отсчетного устройства.
Качество измерений характеризуется погрешностью.
Погрешность – отклонение результатов измерения
от истинного значения измеряемой величины
27
Погрешности измерений
• Абсолютная погрешность ∆=Х-Хд,
где Х – результат измерений, Хд – действительное
значение измеряемой величины.
• Относительной погрешностью называют
отношение абсолютной погрешности измерения к
действительному значению измеряемой величины
∆
𝛿 = ∙ 100%.
Хд
• Класс точности КТ =
∆𝑚𝑎𝑥
𝐴норм
∙ 100%.
28
Классификация погрешностей измерений
По причине возникновения





Инструментальная погрешность
Погрешность метода измерения
Субъективная погрешность
Систематическая погрешность
Вариация выходного сигнала
От характера изменения измеряемой величины
 Статическая погрешность
 Динамическая погрешность
От условий измерений
 Основная
 Дополнительная
29
Измерение температуры
Абсолютная температура связана с температурой
по международной шкале соотношением
𝑇, °𝐾 = 𝑡, ℃ + 273,15
Температуру измеряют двумя основными
способами: контактный и бесконтактный.
Классификация датчиков измерения
температуры:
•
•
•
•
•
Термометры расширения;
Манометрические термометры;
Термоэлектрические;
Термометры сопротивления;
Пирометры излучения.
30
Измерение температуры
Термометры расширения:
- жидкостные (построены на принципе изменения объема
жидкости – ртуть, спирт и др.) от -100 до 600оС;
- деформационные (построены на принципе изменения
линейных размеров твердых тел):
а) дилатометрические от -30 до 700 оС;
б) биметаллические от -100 до 600 оС.
Манометрические:
- газовые (азот, гелий, аргон) -200 - 600 оС;
- конденсационные (низкокипящие органические жидкости –
ацетон, фреон, хлористый метил и др.) -25 - 300 оС;
- жидкостные (силиконовые жидкости ПМС-5, ПМС-10) -50 300 оС.
31
Измерение температуры
Термоэлектрические термометры.
В основу измерения температуры положен
термоэлектрический эффект, заключающийся
в том, что в замкнутой цепи, состоящий из двух
или нескольких разнородных проводников,
возникает электрический ток, если хотя бы два
места соединения (спая) проводников имеют
t
разную температуру.
Суммарная термоэлектродвижущая сила (термо э.д.с.)
𝐸АВ 𝑡𝑡0 = 𝑒АВ 𝑡 + 𝑒ВА 𝑡0 , где
𝑒АВ 𝑡 , 𝑒ВА 𝑡0 - термоЭДС, обусловленные контактной
разностью потенциалов и разность температур концов
проводников А и В.
При 𝑡 = 𝑡0 𝐸АВ 𝑡𝑡0 = 0
32
Термоэлектрические термометры
• Главные преимущества термопар:
- широкий диапазон рабочих температур, это самый
высокотемпературный из контактных датчиков.
- спай термопары может быть непосредственно заземлен или
приведен в прямой контакт с измеряемым объектом.
- простота изготовления, надежность и прочность конструкции.
• Недостатки термопар:
- необходимость контроля температуры холодных спаев. В
современных конструкциях измерителей на основе термопар
используется измерение температуры блока холодных спаев с
помощью встроенного термистора или полупроводникового
сенсора и автоматическое введение поправки к измеренной
ТЭДС.
- возникновение термоэлектрической неоднородности в
проводниках и, как следствие, изменение градуировочной
характеристики из-за изменения состава сплава в результате
коррозии и других химических процессов.
33
Термоэлектрические термометры
• Недостатки термопар:
-материал электродов не является химически инертным и, при
недостаточной герметичности корпуса термопары, может
подвергаться влиянию агрессивных сред, атмосферы и т.д.
- на большой длине термопарных и удлинительных проводов
может возникать эффект «антенны» для существующих
электромагнитных полей.
- зависимость ТЭДС от температуры существенно не линейна.
Это создает трудности при разработке вторичных
преобразователей сигнала.
- когда жесткие требования выдвигаются к времени
термической инерции термопары, и необходимо заземлять
рабочий спай, следует обеспечить электрическую изоляцию
преобразователя сигнала для устранения опасности
возникновения утечек через землю.
34
Выбор типа термопар
• Тип J (железо-константановая термопара)
• Не рекомендуется использовать ниже 0 °С, т.к. конденсация
влаги на железном выводе приводит к образованию
ржавчины;
• Наиболее подходящий тип для разряженной атмосферы;
• Максимальная температура применения – 500 °С, т.к выше
этой температуры происходит быстрое окисление выводов.
Оба вывода быстро разрушаются в атмосфере серы.
• Показания повышаются после термического старения.
• Преимуществом является также невысокая стоимость.
• Тип Е (хромель-константановая термопара)
• Преимуществом является высокая чувствительность.
• Термоэлектрическая однородность материалов электродов.
• Подходит для использования при низких температурах.
35
Выбор типа термопар
• Тип Т (медь-константановая термопара)
• Может использоваться ниже 0 °С;
• Может использоваться в атмосфере с небольшим избытком или
недостатком кислорода;
• Не рекомендуется использование при температурах выше 400 °С;
• Не чувствительна к повышенной влажности;
• Оба вывода могут быть отожжены для удаления материалов,
вызывающих термоэлекрическую неоднородность.
Тип К (хромель-алюмелевая термопара)
• Широко используются в различных областях от – 100 °С до +1000 °С
(рекомендуемый предел, зависящий от диаметра термоэлектрода);
• В диапазоне от 200 до 500 °С возникает эффект гистерезиса, т.е
показания при нагреве и охлаждении могут различаться. Иногда
разница достигает 5 °С;
• Используется в нейтральной атмосфере или атмосфере с избытком
кислорода;
• После термического старения показания снижаются;
36
Выбор типа термопар
• • Не рекомендуется использовать в разряженной атмосфере, т.к. хром
может выделяться из Ni-Cr вывода (так называемая миграция),
термопара при этом изменяет ТЭДС и показывает заниженную
температуру;
• Атмосфера серы вредна для термопары, т.к. воздействует на оба
электрода.
• Тип N (нихросил-нисиловая термопара)
• Это относительно новый тип термопары, разработанный на основе
термопары типа К. Термопара типа К может легко загрязняться
примесями при высоких температурах. Сплавляя оба электрода с
кремнием, можно тем самым загрязнить термопару заранее, и таким
образом снизить риск дальнейшего загрязнения во время работы.
• Рекомендуемая рабочая температура до 1200 °С (зависит от диаметра
проволоки).
• Кратковременная работа возможна при 1250 °С;
• Высокая стабильность при температурах от 200 до 500 °С
(значительно меньший гистерезис, чем для термопары типа К);
• Считается самой точной термопарой из неблагородных металлов.
37
Выбор типа термопар
• Тип S (платнородий-платиновая термопара)
• Рекомендуемая максимальная рабочая температура 1350 °С;
• Кратковременное применение возможно при 1600 °С;
• Загрязняется при температурах выше 900 °С водородом, углеродом,
металлическими примесями из меди и железа. При содержании железа
в платиновом электроде на уровне 0,1%, ТЭДС изменяется более, чем
на 1 мВ (100°С) при 1200 °С и 1,5 мВ (160 °С) при 1600 °С. Такая же
картина наблюдается при загрязнении медью. Таким образом,
термопары нельзя армировать стальной трубкой, или следует
изолировать электроды от трубки газонепроницаемой керамикой.
• Может применяться в окислительной атмосфере.
• При температуре выше 1000 °С термопара может загрязняться
кремнием, который присутствует в некоторых видах защитных
керамических материалов. Важно использовать керамические трубки,
состоящие из высокочистого оксида алюминия.
• Не рекомендуется применять ниже 400 °С, т.к ТЭДС в этой области
мала и крайне не линейна.
38
Выбор типа термопар
• Тип R (платнородий-платиновая термопара)
• Свойства те же, что и у термопар типа S.
Тип В (платнородий-платинородиевая термопара)
• Рекомендуемая максимальная температура рабочего диапазона 1500
°С (зависит от диаметра проволоки);
• Кратковременное применение возможно до 1750 °С;
• Может загрязняться при температурах выше 900 °С водородом,
кремнием, парами меди и железа, но эффект меньше, чем для термопар
типа S и R;
• При температуре выше 1000 °С термопара может загрязняться
кремнием, который присутствует в некоторых видах защитных
керамических материалов. Важно использовать керамические трубки,
состоящие из высокочистого оксида алюминия.
• Может использоваться в окислительной среде;
• Не рекомендуется применение при температуре ниже 600 °С, где
ТЭДС очень мала и не линейна.
39
Источники погрешности термопар
Принцип действия термопар и особенности преобразования и
передачи сигнала приводят к следующим возможным проблемам при их
эксплуатации, вызывающим ошибку в определении температуры
1. Дефекты формирования рабочего спая термопары;
2. Возникновение термоэлектрической неоднородности по длине
термоэлектродов и изменение градуировочной характеристики термопары;
3. Электрическое шунтирование проводников изоляцией и возможное
возникновение гальванического эффекта;
4. Тепловое шунтирование;
5. Электрические шумы и утечки.
40
Состав материалов термоэлектродов
Материал термоэлектродов
Тип
термо
пары положительного
отрицательного
ТХК
Сплав хромель (90,5%
Ni + 9,5% Сr)
Сплав копель (56% Си +
44% Ni}
ТПР
Сплав платина-родий
(70% Pt - 30% Rh}
Сплав платина-родий
(94% Pt-6%Rh)
ТВР
Сплав вольфрам-рений Сплав вольфрам-рений
(95% W - 5% Re)
(80% W-20% Re)
41
Термопреобразователи сопротивления
Принцип действия термопреобразователей
сопротивления (термо-резисторов) основан на изменении
электрического сопротивления проводников и
полупроводников в зависимости от температуры.
Материал, из которого изготавливается такой датчик,
должен обладать
• высоким температурным коэффициентом сопротивления,
• линейной зависимостью сопротивления от температуры,
• хорошей воспроизводимостью свойств,
• инертностью к воздействиям окружающей среды.
В наибольшей степени всем указанным свойствам
удовлетворяет платина и медь.
42
Термопреобразователи сопротивления
Наиболее распространенный тип термометров сопротивления –
платиновые термометры. Это объясняется тем, что платина имеет
высокий температурный коэффициент сопротивления и высокую
стойкость к окислению.
Платиновые терморезисторы предназначены для измерения
температур в пределах от –260 до 1100 °С. В диапазоне температур
от 0 до 650 °С их используют в качестве образцовых и эталонных
средств измерений, причем нестабильность градуировочной
характеристики таких преобразователей не превышает 0,001 °С
В качестве рабочих средств измерений применяются также
медные и никелевые термометры. Действующим стандартом на
технические требования к рабочим термометрам сопротивления
является ГОСТ Р 6651-2009.
43
Термопреобразователи сопротивления
В стандарте приведены диапазоны, классы допуска,
таблицы номинальных статических характеристик (НСХ) и
стандартные зависимости сопротивление-температура.
Недостатком меди является небольшое ее удельное
сопротивление и легкая окисляемость при высоких
температурах, вследствие чего конечный предел применения
медных термометров сопротивления ограничивается
температурой 1800°C. По стабильности и воспроизводимости
характеристик медные терморезисторы уступают
платиновым.
44
Параметры термосопротивлений
Тип термопреобразова
теля
𝑅100 /𝑅0
Платиновый
1,385
(ТСП)
Медный
(ТСМ)
Никелевый
(ТСН)
1,426
1,391
1,428
1,617
Диапазон
измерения,
°С
Класс
допуска
Разброс
относительно
номинала
-220...+850
А
±(0,15+0,002| t|)
-220...+1100*
-100...+300,
+860...+1100
B
±(0,3+0,005| t|)
С
±(0,6+0,008| t|)
-50...+120
А
±(0,15+0,002| t|)
-200...+200
B
±(0,25+0,0035| t|)
-200...+200
С
±(0,5+0,0065| t|)
С
±(0,3+0,0165| t|)
от -60 до +0 °С и
±(0,3+0,008| t|)
от 0 до +180 °С
-60...+180
45
Погрешности термосопротивлений
В широком диапазоне температур линейная зависимость
дает слишком большую погрешность, поэтому ГОСТ 6651
устанавливает для термопреобразователей сопротивления
табличную или полиномиальную аппроксимацию
экспериментально полученной зависимости сопротивления
от температуры.
Это позволяет исключить систематическую
составляющую погрешности нелинейности из результата
измерений.
Процедура исключения погрешность нелинейности
обычно выполняется в микроконтроллере модуля ввода.
46
Погрешности термосопротивлений
После исключения систематической составляющей погрешности
нелинейности остается случайная составляющая, обусловленная
технологическим разбросом сопротивления датчика при 0 °С и
разбросом его температурного коэффициента сопротивления.
Эта погрешность вносит основной вклад в результат измерения
температуры. Она нормируется для трех классов допуска: А, B и С.
Также источником погрешности измерений с помощью
термопреобразователей сопротивления является
электротермический эффект, который проявляется при соединении
никелевых или медных термопреобразователей с медными
проводами. Обычно он не превышает 20 мкВ.
Для уменьшения этого эффекта используют среднее значение
двух измерений при противоположных направлениях тока или
измерения на переменном токе.
47
Расчёт температуры от сопротивления
Отсюда, RT сопротивление при T, R0 сопротивление при
0 °C, и константы А, В, С - для платинового
сопротивления.
48
Схема включения
Для измерения температуры с помощью
термопреобразователей сопротивления необходимо измерять
величину омического сопротивления датчика.
В системах промышленной автоматизации используются три
варианта схемы включения датчика в измерительную цепь:
• 2-х проводная
• 3-х проводная
• 4-х проводная
По мере увеличения количества проводов растёт точность
измерения и уменьшается влияние потенциала и сопротивления
контактов. В промышленности, как правило, необходимо
использовать 4-х проводную схему измерения, т.к. "экономия" на
проводах очень быстро теряется за счёт низкой достоверности
результатов измерений.
49
Преимущества термометров сопротивления
• Высокая точность измерений (обычно около 0,1 °C)
• Высокая надёжность при использовании 4-х проводной
схемы измерений
• Низкая стоимость
Недостатки термометров сопротивления
• Низкий диапазон измерений (по сравнению с
термопарами)
• Не могут измерять высоких температур (по сравнению с
термопарами)
• Большие размеры и как следствие их высокую
инерционность (постоянная времени может составлять от
нескольких секунд, при измерении температуры жидкости,
до несколько минут, при измерении температуры газов)
50
Полупроводниковые терморезисторы
Так же для измерения температуры применяются и
полупроводниковые терморезисторы, именуемые термисторами.
По сравнению с металлическими терморезисторами термисторы
обладают более высокой чувствительностью.
Их сопротивление сильно изменяется в зависимости от
температуры и описывается экспоненциальной функцией.
𝐵
𝑅𝑇2 = 𝑅𝑇1 exp
,
𝑇2 − 𝑇1
где Т2 – абсолютная температура (К),
Т1 – эталонная температура (К),
В – коэффициент, зависящий от материала.
Термисторы имеют нелинейную вольтамперную
характеристику и отрицательный температурный коэффициент.
Для измерения температуры наиболее распространены
полупроводниковые терморезисторы типов КМТ (смесь окислов
кобальта и марганца) и ММТ (смесь окислов меди и марганца).
51
Полупроводниковые терморезисторы
Диапазон измеряемых термисторами температур сравнительно
небольшой: от -60 °С до +180 °С
При протекании тока через термистор он нагревается, что в свою
очередь увеличивает погрешность измерений.
Поэтому при выборе термистора необходимо учитывать его
коэффициент рассеяния. Для снижения погрешности, необходимо
увеличивать площадь его поверхности, однако, это приводит к
увеличению тепловой инерционности, которая характеризуется
величиной постоянной времени и может составлять от десятых долей
секунды до нескольких минут.
Термисторы изготавливают с большим начальным сопротивлением,
что позволяет снизить погрешности, вызываемые изменением
температуры соединительных проводов.
Серьезным недостатком термисторов, не позволяющим с достаточной
точностью нормировать их характеристики при серийном производстве,
является плохая воспроизводимость характеристик (значительное отличие
характеристик одного экземпляра от другого).
52
Сравнительная таблица трех основных типов
контактных температурных датчиков
Тип датчика
Термистор
ПАРАМЕТР
Эл. сопротивление
Высокая
чувствительность
сопротивлениетемпература
Термометр
сопротивления
Эл. сопротивление
Малая инерционность
Высокое
сопротивление, что
устраняет
необходимость
ПРЕИМУЩЕСТВА
четырех-проводного
включения
Малый размер
Низкая стоимость
Хорошая линейность
характеристики
Высокая стабильность
Термопара
Эл. Напряжение
Широкий
температурный
диапазон
Простота
производства
Низкая стоимость
Высокая
взаимозаменяемость в
Износоустойчивость
широком диапазоне
температур
Не требует
дополнительных
источников энергии
Высокая стабильность
Хорошая
взаимозаменяемость
53
Сравнительная таблица
Тип датчика
Термистор
Нелинейная
характеристика
Термометр
сопротивления
Низкая
чувствительность
Относительно
большая
инерционность
Рабочий диапазон
температур примерно от Необходимость трех-60 до +300 °С
или четырехпроводной схемы
НЕДОСТАТКИ
включения
Взаимозаменяемость
только в узком
диапазоне температур
Чувствительность к
ударам и вибрациям
Необходим источник
тока
Необходим источник
тока
Термопара
Нелинейная
характеристика
Относительно низкая
стабильность
Низкая
чувствительность
Измерение низких ЭДС
может осложниться
электро-магнитными
шумами и наводками
Необходима
компенсация холодных
спаев
Высокая стоимость
54
Погрешности измерения
При измерении температуры контактным методом
необходим тепловой контакт чувствительного элемента
термопреобразователя с объектом измерения, в результате
чего возникает искажение температурного поля в месте
измерения. Уменьшить погрешность контактного метода
измерения температуры можно за счет:
1. Уменьшение лучистого теплообмена с окружающими
поверхностями с помощью экранирующих устройств.
2. Уменьшение передачи теплоты за счет теплопроводности
путем уменьшения диаметра и длины выступающей
наружу части термопреобразователя.
3. Увеличения коэффициента теплоотдачи от измеряемой
среды к термопреобразователю.
55
Измерение температуры бесконтактным
методом
Бесконтактный метод служит для измерений высоких
температур, где невозможно измерять контактными методами и не
требуется высокой точности.
Бесконтактный способ измерения температуры основан на
восприятии тепловой энергии, передаваемой лучеиспусканием и
воспринимаемой на расстоянии от исследуемого объекта.
Измерение температуры тел по их тепловому излучению
называют пирометрией, а средства измерений – пирометрами
излучения.
Бесконтактные методы измерения температуры теоретически
не имеют верхнего температурного предела своего применения.
Так, температура источника со сплошным спектром излучения,
близкая к 6000°С измеряется теми же методами, что и температура
в 2000 °С
56
Основные методы пирометрии
Радиационная пирометрия использует зависимость энергетической
яркости (интенсивности) излучения от температуры в ограниченном
диапазоне волн — как правило, в инфракрасном диапазоне
(соответственно, измерительные приборы, использующие этот метод,
называются инфракрасными термометрами, инфракрасными
радиометрами или инфракрасными пирометрами).
Принцип, на котором основывается радиационная пирометрия, очень
прост: поскольку яркость излучения объекта прямо пропорциональна
температуре, измерив и пересчитав яркость, можно получить точное
значение температуры. Таким образом, ключевым узлом пирометра,
использующего данный метод измерения, является датчик, который
преобразует тепловую энергию в электрический сигнал (ток или
напряжение). Тепловой луч фокусируется оптической системой,
получившийся на выходе датчика сигнал обрабатывается, а результат
отображается на дисплее (индикация на современных пирометрах, как
правило, цифровая).
57
Радиационные пирометры
1- объект измерения, 2- термобатарея, 3 – оптическая
система, 4 – измерительный прибор.
58
Основные методы пирометрии
Оптическая пирометрия основывается на зависимости
спектральной характеристики излучения от температуры в диапазонах
инфракрасного излучения и видимого света, другими словами, на
зависимости цвета излучения от температуры. Так, тела, нагретые до
700-800° С, испускают темно-оранжевое свечение, при температуре
около 1000° С цвет становится ярко-оранжевым, при 2000° — яркожелтым, а при 2500° С — практически белым.
Известно два основных типа оптических пирометров:
• Яркостный пирометр определяет температуру тела путем
визуального сравнения излучения объекта в видимом спектре с
излучением эталонной нити. Оператор смотрит в окуляр на
измеряемый объект и регулирует величину пропускаемого через нить
электрического тока, при этом нить в окуляре совмещается с
изображением объекта.
59
Основные методы пирометрии
1 – объектив, 2 - диафрагма, 3, 7 – светофильтр, 4 – окуляр, 5 –
пирометрическая лампочка, 6 – реостат, 8 – показывающий прибор.
Как только получается подобрать такое значение, при котором цвет
нити совпадает с цветом объекта, изображение нити как бы
"растворяется" на фоне объекта (отсюда другое название яркостного
пирометра — пирометры с исчезающей нитью). По величине тока
определяется температура измеряемого объекта.
60
Основные методы пирометрии
• Пирометр спектрального отношения сравнивает энергетические
яркости объекта в разных областях спектра. Такой пирометр
использует несколько датчиков (на практике чаще всего пару) и
измеряет энергетические яркости в разных частях спектра, а затем
оценивает их отношение (отсюда другое название — пирометр
спектрального отношения). Мультиспектральные пирометры
обладают большей точностью в сравнении с яркостными, поэтому в
настоящее время используются преимущественно оптические
пирометры данного типа.
61
Сфера применения пирометров
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Сфера применения пирометров необычайно широка:
Измерение температуры труднодоступных и недоступных объектов.
Измерение температур горячих и опасных для здоровья человека сред и
поверхностей.
Объектов, прямой контакт с которыми может повредить форму объекта,
либо измеряемую поверхность.
Температурное сканирование для поиска горячих либо холодных точек.
Мгновенное определение температуры движущихся объектов.
Диагностика и профилактика авто- и ж/д транспорта.
Диагностика тепло- и электрооборудования, облегчение поиска мест
утечек теплоносителей.
Электродиагностика и электроаудит.
Противопожарная безопасность.
Для проверки и контроля систем отопления, вентиляции и
кондиционирования.
Профилактика и диагностика оборудования в любой промышленности.
Контроль за состоянием подшипников вращающихся и трущихся
частей.
62
Применение пирометров
При работе с пирометром следует учитывать, что
измерения нельзя проводить под прямым углом, а также при
углах, превышающих 60°. Нежелательно, чтобы вблизи
измеряемой поверхности находился мощный источник
теплового излучения, поскольку прибор будет воспринимать
переотраженное от измеряемой поверхности излучение этого
источника. И последнее пирометры не измеряют температуру
объекта, находящегося за стеклом, поскольку измерения
проводятся не в оптическом, а в инфракрасном диапазоне, и
стекло для оптики прибора будет не прозрачным, а объектом,
выделяющим излучение.
63
Достоинства и недостатки
Преимущества измерения температуры портативными
пирометрами очевидны:
• Измерения проводятся без прерывания технологического
процесса.
• Увеличение производительности труда благодаря
значительному увеличению скорости измерений.
• Измерения проводятся с безопасного расстояния, что
значительно снижает травмоопасность.
• Простота контроля и регистрации состояния уже
выявленных нарушений при невозможности их быстрого
устранения.
64
Достоинства и недостатки
Первым и самым существенным недостатком
радиационного пирометра является зависимость результатов
измерения от излучательной способности объекта. Что это
значит? Допустим, имеется две металлические емкости —
одна новая (светлая и блестящая), а другая сильно окисленная
(темная и матовая). Если залить обе емкости водой, довести
до кипения (100° С) и измерить температуру радиационным
пирометром, то для окисленной емкости значение будет
соответствовать реальному (около 95° С), а для новой — не
достигнет и 50° С. Объясняется это тем, что при прочих
равных условиях и одинаковой температуре разные объекты
излучают разное количество энергии из-за различной
излучательной способности.
65