Тема: Приборы для измерения температур Известно, что физические свойства нефти (плотность, вязкость), содержание газа и парафина, растворенных в ней, и фазовые состояния в значительной степени зависят от температуры. Поэтому контроль этого параметра необходим в процессе добычи, при промысловом сборе и первичной подготовке нефти на промыслах, а также при ее транспортировании. При взятии глубинной пробы для изучения ее с помощью специальной исследовательской аппаратуры в пластовых условиях необходимо измерить температуру в скважине в месте ее отбора. Контроль ее на забое скважин необходим в процессе обработки призабойной зоны различными способами (соляно- и термокислотными и искусственным разогревом пласта) для увеличения добычи, а в трубопроводах, в водонасосных, нефтенасосных и компрессорных станциях—для проверки состояния подшипников. Измерения температуры в резервуарах с нефтью и нефтепродуктами — обязательный элемент учета. § 1. ТЕМПЕРАТУРНАЯ ШКАЛА Температура характеризует степень нагретости вещества и связана с запасом его внутренней энергии, носителем которой являются атомы и молекулы. Поскольку кинетическая и потенциальная энергия атомов и молекул зависит от теплового состояния вещества, то и все физические свойства его практически зависят от температуры. Так, при нагреве или охлаждении твердого тела изменяются его линейные размеры, плотность, твердость, модуль упругости, разрушающие напряжения, электропроводность, теплоемкость и ряд других свойств. Плотность, объем, вязкость жидкостей и газов, а равно и агрегатные состояния вещества также зависят от изменения температуры. Возможность измерения температуры, как правило, основана на теплообмене, на передаче тепла от более нагретого вещества к менее нагретому. Установление единицы измерения температуры, называемой «градусом», связано с построением температурной шкалы, представляющей собой систему последовательных числовых значений какоголибо удобно и достаточно точно измеряемого физического свойства вещества, являющегося однозначной функцией температуры. Для построения температурной шкалы выбирают начало отсчета температуры и размер ее единицы (градуса), для чего обычно пользуются двумя реперными точками— температурами перехода вещества из одного агрегатного состояния в другое. Допустим, такими точками выбраны температуры кипения и затвердевания чистых веществ и им присвоены значения f′и f״. Тогда единицей измерения будет где N—целое число, на которое разбивается температурный интервал между реперными точками. Такие шкалы называются эмпирическими. Не зависящую от конкретных свойств вещества так называемую термодинамическую шкалу можно построить на основе второго начала термодинамики, определяя отношение температур через отношение теплот в Карно цикле. Основной температурой является абсолютная температура, единица которой Кельвин (К) есть 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды. В Международной практической температурной шкале различают международную практическую температуру Кельвина (T68) и международную практическую температуру Цельсия (t68), связанные соотношением Размеры 1 К и 1 °С совпадают. Все приборы, применяемые для измерения температуры, основаны на изменении свойств различных веществ в зависимости от степени их нагретости. Различают приборы, основанные на изменении объема тела (термометры расширения); давления рабочего вещества в замкнутой камере (манометрические термометры); электрического сопротивления проводников (термометры сопротивления); термоэлектродвижущей силы (термоэлектрические термометры); лучеиспускательной способности нагретых тел (пирометры излучения). В нефтяной и газовой промышленности наиболее распространены манометрические термометры и термометры электрического сопротивления. Шкала Кельвина В термодинамике используется шкала Кельвина, в которой температура отсчитывается от абсолютного нуля (состояние, соответствующее минимальной теоретически возможной внутренней энергии тела), а один кельвин равен 1/273.16 расстояния от абсолютного нуля до тройной точки воды (состояния, при котором лёд, вода и водяной пар находятся в равновесии). Для пересчета кельвинов в энергетические единицы служит постоянная Больцмана. Используются также производные единицы: килокельвин, мегакельвин, милликельвин и т.д. Шкала Цельсия В быту используется шкала Цельсия, в которой за 0 принимают точку замерзания воды, а за 100° точку кипения воды при атмосферном давлении. Поскольку температура замерзания и кипения воды недостаточно хорошо определена, в настоящее время шкалу Цельсия определяют через шкалу Кельвина: градус Цельсия равен кельвину, абсолютный ноль принимается за −273,15 °C. Шкала Цельсия практически очень удобна, поскольку вода очень распространена на нашей планете и на ней основана наша жизнь. Ноль Цельсия — особая точка для метеорологии, поскольку замерзание атмосферной воды существенно всё меняет. Пересчёт температуры между основными шкалами Кельвин Цельсий Фаренгейт Кельвин (K) =K = С + 273,15 = (F + 459,67) / 1,8 Цельсий (°C) = K − 273,15 =C = (F − 32) / 1,8 Фаренгейт (°F) = K · 1,8 − 459,67 = C · 1,8 + 32 =F Сравнение температурных шкал Описание Кельвин Цельсий Фаренгейт Ньютон Реомюр Абсолютный ноль 0 −273.15 −459.67 −90.14 −218.52 Температура таяния смеси Фаренгейта (соли и льда в равных количествах) 255.37 −17.78 0 −5.87 −14.22 Температура замерзания воды (нормальные условия) 273.15 0 32 0 0 Средняя температура человеческого тела 310.0 36.8 98.2 12.21 29.6 Температура кипения воды (нормальные условия) 373.15 100 212 33 80 Температура поверхности Солнца 5800 5526 9980 1823 4421 Для перевода градусов цельсия в кельвины необходимо пользоваться формулой T=t+T где Tтемпература в кельвинах, t- температура в градусах цельсия, T =273.15 кельвина. По размеру градус Цельсия равен Кельвину. 0 0 § 2. ТЕРМОМЕТРЫ МАНОМЕТРИЧЕСКИЕ Принцип действия манометрических термометров основан на изменении давления вещества (газа, жидкости или пара), заключенного в замкнутом объеме при изменении его температуры. Манометрический термометр представляет собой замкнутую систему, состоящую из термобаллона, капилляра, манометра, заполненных термометрическим веществом. По роду заполнителя среди манометрических термометров выделяют газовые и жидкостные. Особую группу манометрических термометров составляют приборы, действие которых основано на использовании зависимости давления насыщенных паров жидкости от температуры. Эти термометры называют конденсационными. В качества заполнителей в них применяют жидкости, кипящие при низких температурах (ацетон, бензол, фреон и т. д.). Такие термометры имеют неравномерную шкалу, так как давление насыщенных паров не пропорционально изменению температуры. Общий вид прибора показан на рис. 6.1. Термобаллон 1 представляет собой стальной или латунный продолговатый цилиндрический толстостенный сосуд, практически не деформирующийся при давлении, возникающем в нем от нагревании термометрического вещества. Длина капилляра 2, изготовленного из бесшовной стальной или медной трубки внутренним диаметром 0,1— 0,5 мм, может изменяться от нескольких сантиметров до десятков метров в зависимости от требуемого расстояния от места измерения до вторичного прибора. Вторичным прибором служит манометр с трубчатой одновитковой или многовитковой пружиной 6. Перемещение свободного конца пружины с помощью передаточного механизма 5 преобразуется в перемещение пера 4 на диаграмме 3. Газовые манометрические термометры заполняют газом, химически инертным, с малой теплоемкостью, легко получаемым в чистом виде. Таким газом выбирают азот. Термометры, заполненные им, применяют для измерения температур от 0 до +600 °С. Начальное давление в таких термометрах устанавливают в зависимости от пределов измерения 0,98—4,7 МПа. Чем выше предел измерения, тем выше начальное давление, и наоборот. Капилляр и манометрическая пружина окружены средой, температура которой отлична от измеряемой, где находится чувствительный элемент—термобаллон. Температура окружающей среды, если она не равна +20 °С, воздействуя на капилляр и манометрическую пружину вторичного прибора, может внести погрешность в показания термометра. В ряде случаев для компенсации погрешностей от колебаний температуры окружающей среды применяют компенсационное устройство, представляющее собой биметаллическую пружину, связанную с указателем прибора и действующую в направлении, противоположном действию манометрической пружины. Газовый манометрический термометр с пневмопреобразователем (тип ТПГ-189П), предназначенный для дистанционной передачи показаний, показан на рис. 6.2. При изменении измеряемой температуры манометрическая пружина 1 с помощью тяги и шестеренки 3 поворачивает на соответствующий угол указатель 2. Одновременно тяга 4 перемещает заслонку 5 относительно сопла 7. Сжатый воздух проходит через дроссель постоянного сечения и поступает к соплу по трубке 6, которая проходит внутри манометрической пружины 11. С повышением измеряемой температуры заслонка 5 приближается к соплу 7. При этом давление воздуха в камерах Г и В возрастает. Мембраны, ограничивающие камеру В снизу, а камеру Г сверху, прогнутся, вследствие чего клапан 8 закроется, а клапан 10 откроется. Давление в камере Б и на выходе усилителя, а также в трубке 9 обратной связи увеличится. При этом манометрическая пружина 11 под воздействием давления обратной связи будет раскручиваться и отводить сопло 7 от заслонки 5. При уменьшении измеряемой температуры заслонка отойдет от сопла, давление в камерах Г и В уменьшится, клапан 8 откроется, а клапан 10 прикроется. Давление на выходе усилителя и в канале обратной связи уменьшится. Пружина 11 будет скручиваться, и сопло 7 приблизится к заслонке 5. Диапазон изменения давления воздуха на выходе преобразователя составляет 20— 100 кПа, давление питающего воздуха 140 кПа. Недостатками газовых манометрических термометров являются сравнительно большая тепловая инерция, обусловленная низким коэффициентом теплообмена между стенками термобаллона и наполняющим его газом и незначительной теплопроводностью газа, а также большие размеры термобаллона, что затрудняет установку его на трубопроводах малого диаметра. Кроме того, в процессе эксплуатации газовых термометров возможны случаи нарушения герметичности и утечки газа, что не всегда можно заметить. Последнее обстоятельство приводит к необходимости частой поверки этих приборов. Манометрические жидкостные термометры заполняют жидкостью под некоторым начальным давлением. Жидкости, применяемые для термометров, должны обладать возможно большим термическим коэффициентом объемного расширения, высокой теплопроводностью и должны быть химически инертными к материалу термометра. В качестве таких жидкостей выбирают ртуть (диапазон измерений от —30 до + 600 °С) и ксилол (диапазон измерений от —40 до + 200°С). Во избежание закипания жидкости в термометре создается начальное давление порядка 1,47—1,96 МПа. Конденсационные манометрические термометры. Термобаллон этих приборов заполнен на 2/3 объема низкокипящей жидкостью. В замкнутой системе термометра всегда существует динамическое равновесие одновременно протекающих процессов испарения и конденсации. С повышением температуры усиливается испарение жидкости и увеличивается упругость пара, а в связи с этим усиливается также процесс конденсации. В результате этого насыщенный пар достигает некоторого определенного давления, строго отвечающего температуре. Давление пара, изменяясь с температурой, передается через среду, заполняющую капилляр, манометрической трубке. К достоинствам конденсационных термометров следует отнести то, что изменение температуры манометрической трубки и капилляра не влияет на давление в системе. Это позволяет располагать вторичный прибор от термоприемника на расстояниях, больших (до 75 м), чем в газовом и жидкостном термометрах. К недостаткам конденсационного термометра следует отнести нелинейность шкалы. Жидкость, применяемая в этих приборах, должна иметь точку кипения достаточно низкую, чтобы обеспечить необходимое давление в пределах измеряемых температур. Термобаллон конденсационного термометра заполняют с таким расчетом, чтобы при наиболее низкой температуре в нем осталось некоторое количество пара, а при наиболее высокой—некоторое количество неиспарившейся жидкости. Номенклатурой выпускаемых манометрических термометров предусмотрены следующие типы. Термометры манометрические показывающие без дополнительных устройств: газовые ТПГ-180, жидкостные ТПЖ-180 и конденсационные (парожидкостные) ТПП-180. Термометры манометрические показывающие с устройством для пневматической дистанционной передачи: газовые ТПГ-189П, жидкостные ТПЖ-189П. Термометры манометрические показывающие с фотоэлектрическим контактным устройством: газовые ТПГ-188, жидкостные ТПЖ-188. Термометры самопишущие с дисковой диаграммой без дополнительных устройств: с приводом диаграммы от часового механизма—газовые ТГС-7104 и жидкостные ТСЖ- 7104; с приводом диаграммы от синхронного двигателя—газовые ТСГ-710 и жидкостные ТСЖ-710; двухзаписные—с двумя термосистемами и записью температур в двух точках на одной диаграмме — газовые ТСГ-720 (с синхронным двигателем), ТСГ-7204 (с часовым механизмом); жидкостные ТСД-720 (с синхронным двигателем), ТСЖ-7204 (с часовым механизмом). Термометры манометрические самопишущие с дисковой диаграммой и устройством для пневматической дистанционной передачи: газовые с часовым или электрическим приводом диаграммы ТСГ-710П4 и ТСГ-710П; жидкостные ТСЖ-710П4 и СТЖ-710. Термометры манометрические самопишущие с дисковой диаграммой и фотоэлектрическим контактным устройством — газовые ТСГ-718ПЭ. В каждом из перечисленных типов приборов предусмотрено несколько модификаций по пределу измерения, классу точности, длине дистанционного капилляра, длине погружаемой части (термобаллона и жесткого хвостовика). § 3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ Действие электрических термометров сопротивления основано на свойстве материалов менять электропроводность в зависимости от температуры. Так, сопротивление большинства металлов при нагреве их на 1 °С увеличивается в среднем на 0,4—0,6%, а окислов металлов (полупроводников), наоборот, уменьшается в 8—15 раз по сравнению с металлами. В комплект этих термометров входят чувствительный элемент, измерительный прибор и соединительные провода. В качестве чувствительного элемента применяют металлическую проволоку (или ленту), навитую на изоляционный каркас и заключенную в защитный кожух. В качестве измерительных приборов используют уравновешенные и неуравновешенные мосты, потенциометры и магнитоэлектрические логометры. Электрические термометры обладают следующими преимуществами, обеспечивающими широкое применение их в промышленности: возможность градуировки термометра в значительном диапазоне (от - 200 до +700°С) на любой температурный интервал; высокая степень точности измерения температуры; возможность расположения вторичного измерительного прибора на значительном расстоянии от места измерения температуры (термоприемника); возможность автоматической записи температуры и автоматического регулирования ее, централизация контроля температуры путем присоединения нескольких термометров к одному измерительному прибору. К недостаткам термометров сопротивления следует отнести: необходимость постороннего источника питания, ограничения по применению его во взрывоопасной среде, значительная длина чувствительного элемента, не позволяющая измерить температуру в заданной точке, и разрушаемость при вибрациях (платиновые термометры). В качестве сопротивления используют платину, медь и полупроводниковые элементы. Платина обладает всеми свойствами, предъявляемыми к материалам для электрических термометров сопротивления. Применяется она в виде проволоки диаметром от 0,05 до 0,07 мм или ленты сечением от 0,002 до 0,005 мм2. В окислительной среде инертна даже при высокой температуре, однако в восстановительной среде при высоких температурах возможно загрязнение платины окисью углерода и парами металлов, что вызывает хрупкость и непостоянство ее характеристики. Температурный коэффициент сопротивления платины α≈3,9*10-3 °С-1, удельное сопротивление ρ =0,1 Ом*мм2/м. Медь—сравнительно дешевый металл, легко получаемый в чистом виде, обладает высоким температурным коэффициентом сопротивления, равным 4,25•10-3 °C-1. Одним из достоинств меди является линейный характер зависимости сопротивления от температуры в интервале от —50 до 200 °С, недостатком — малое удельное сопротивление (ρ≈0,018 Ом*мм2/м) и ее легкая окисляемость. Полупроводники. Характерной особенностью их является резкий рост проводимости с повышением температуры. Полупроводниковые сопротивления, электрическое сопротивление которых резко уменьшается с увеличением температуры, называются термосопротивлениями (ТС). Они имеют цилиндрическую форму или форму дисков, диаметр стержня изменяется от 20 мкм до 5—10 мм, длина составляет 1—50 мм. Диаметр диска от 1 мм до нескольких сантиметров и толщина 0,02—1 см. Возможно изготовление таких полупроводников, сопротивление которых меняется в интервале температур от 0 до 300 °С в 1000 раз. Сопротивление платины в этом же температурном интервале увеличивается приблизительно в 2 раза. Для изготовления термосопротивлений путем спекания мелкодисперсных порошковых материалов, замешанных с соответствующей органической связкой и растворителем, используют смеси двуокиси титана и окиси магния, окиси никеля в соединении с окислами марганца, смеси окислов марганца, никеля и кобальта, окись железа в соединении с такими веществами, как MgAl2О4, MgCr2О4, ZnTiО4 и др. Различными сочетаниями компонентов и их пропорций можно изменять электропроводность и температурный коэффициент сопротивления. Высокий температурный коэффициент электрического сопротивления термосопротивлений обусловливает высокую чувствительность их. Термосопротивления, благодаря малым габаритным размерам, позволяют измерять температуру в труднодоступных местах. Кроме того, их высокое омическое сопротивление (30000— 40000 Ом) позволяет пренебрегать сопротивлением подводящих проводников и переходными контактными сопротивлениями. К недостаткам полупроводниковых термосопротивлений следует отнести нестабильность их характеристики во времени. Устройство термометров сопротивления Платиновые термометры сопротивления типа ТСП предназначены для температур от —200 до +650 °С. Они выполнены из платиновой проволоки диаметром 0,07 мм, навитой на слюдяную пластинку 1 (рис. 6.3) с зубчатыми краями. В прорезях слюдяной пластинки укреплены концы серебряных выводов 2, к которым припаяны концы проволоки элемента сопротивления. Платиновая проволока изолирована с двух сторон слюдяными накладками 3, скрепленными обмоткой из серебряной ленточки 4. Элемент сопротивления помещен в защитную трубку 5 из нержавеющей стали. Свободное сечение трубки с обеих сторон изолированного элемента сопротивления заполнено по всей длине алюминиевыми вкладышами 6. Провода выводов изолированы фарфоровыми трубчатыми изоляторами 7. Эти выводы прикреплены к латунным зажимам на головке из пластмассы. Сопротивление подводящих проводов при температуре 0°С не должно превышать 0,1 % номинальной величины. Пакет термометра сопротивления помещается в арматуру, состоящую из трубы с заваренным дном, штуцерной гайки и головки. Параллельная работа двух измерительных (вторичных) приборов от одного (общего) термометра сопротивления не допускается. При необходимости можно применять только двойные термометры (два самостоятельных, изолированных друг от друга чувствительных элемента помещены в общую арматуру). В лепестковых термометрах с уменьшенной инерционностью вместо алюминиевых вкладышей использованы тепловые мостики-лепестки из тонкой фольги, создающие тепловой контакт между слюдой, на которую навита платиновая проволока, и внешней защитной трубой — арматурой, предназначенной для теплообмена с окружающей средой. Чтобы повысить тепловой контакт и снизить тепловую инерцию, применяют также обжим чувствительного элемента. Пакет из слюдяных пластинок, на одной из которых навита платиновая проволока, а другие являются изоляционными, помещают в тонкостенный плоский металлический чехол и осторожно спрессовывают под давлением до 1,2 МПа. В результате слюда с навитой проволокой оказывается плотно упакованной в металлической оболочке. Термометры сопротивления выпускают также с остеклованным чувствительным элементом, в котором платиновая проволока герме-тизированно вплавлена в стекло. Чувствительный элемент медного термометра сопротивления типа ТСМ состоит из медной эмалированной проволоки диаметром 0,1 мм, навитой на пластмассовый цилиндрический стержень и покрытой сверху слоем лака. К концам медной проволоки припаяны медные выводы диаметром 1,0—1,5 мм. Собранный термометр помещают в защитную стальную трубку. Все технические термометры сопротивления выпускают взаимозаменяемыми. Условные обозначения градуировки термометров ТСП установлены следующие: гр. 20, гр. 21 и гр. 22. Для таких термометров сопротивления составляют соответственно 10; 46 и 100 Ом. Термометры сопротивления типа ТСМ изготовляют с сопротивлением Rо=50 Ом (градуировка гр. 23) и Rо==100 Ом (градуировка гр. 24). Измеряемую температуру определяют автоматическими электронными мостами и магнитоэлектрическими логометрами§ 4. ИЗМЕРЕНИЕ СРЕДНЕЙ ТЕМПЕРАТУРЫ НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ В РЕЗЕРВУАРАХ Измерять температуру в резервуарах необходимо главным образом с целью учета объема и массы нефти и нефтепродукта. При этом требуется определять среднюю температуру всей массы нефти или нефтепродуктов, находящихся в резервуаре. Установлено, что температура продукта, измеренная в одной точке резервуара, даже в середине взлива, не характеризует среднее его значение. Для вертикальных резервуаров с достаточной степенью точности принято, что средняя температура продукта характеризуется среднеарифметическим значением температур, измеренных в несколько равно отстоящих по высоте точках. Прибор для измерения в таком случае был бы сложным по техническому исполнению и неудобным в эксплуатации. Поэтому применяют термометры, позволяющие получать среднюю температуру продукта в резервуаре. По конструктивному оформлению термометры можно разделить на три типа: одноэлементные, многоэлементные, пружинные. Одноэлементный термометр (рис. 6.4,а) представляет собой жесткую трубу 1 с поплавком 2, шарнирно закрепленную у основания стенки резервуара. Вдоль трубы расположен термометр сопротивления 3, равный по длине трубе 1 и заключенный в гибкий защитный кожух. Труба поворачивается относительно оси 4 таким образом, что термометр все время погружен в жидкость, пересекая ее толщину по диагонали. На рис. 6.4,б изображена схема многоэлементного термометра, представляющего собой набор термоэлементов различной длины, заключённых в общий герметизированный кожух. Включаются термометры ступенчато коммутирующим устройством, сопряженным с указателем уровня. При каждом определенном уровне жидкости .в резервуаре включается тот элемент, длина которого соответствует этому уровню. Таким образом, средняя температура измеряется элементом, полностью погруженным в жидкость. Термоэлементы различной длины имеют одинаковое сопротивление. Схема пружинного термометра показана на рис. 6.4,е. Чувствительный элемент 2 представляет собой спираль из никелевой проволоки длиной 40 м, обладающей большим температурным коэффициентом сопротивления. Спираль одним концом прикреплена к поплавку 1, а вторым—к грузу 4, опущенному на дно резервуара. Поплавок, перемещаясь вдоль направляющих струн 3, растягивает или сжимает спираль. Таким образом, термоэлемент полностью находится в жидкости, а его высота соответствует уровню жидкости в резервуаре. Никелевая проволока расположена внутри эластичной нейлоновой трубки. Для измерения средней температуры необходимо равномерное распределение витков спирали по высоте. Это возможно в том случае, когда приведенная плотность термоэлемента на всей его длине будет равна плотности измеряемой жидкости. Плотность спирали регулируется медной изолированной проволокой, помещаемой внутрь нейлоновой трубки. С эксплуатационной точки зрения наибольшим преимуществом из термометров рассматриваемых типов обладает многоэлементный, так как он не имеет подвижных частей внутри резервуара и позволяет осуществлять его монтаж и демонтаж без опорожнения резервуара. Каждый элемент термометра имеет одно и то же сопротивление, поэтому среднюю температуру можно измерять любым стандартным вторичным прибором. Недостатком многоэлементного термометра является чрезмерно большое число термоэлементов, предназначенных для высокой точности измерения температуры, и необходимость в коммутирующем устройстве с малыми переходными сопротивлениями между контактами.
