Некоторые нюансы измерения температуры

Диагностика и надежность энергооборудования

49 =

УДК 536.531

Некоторые нюансы измерения температуры

В. М. Меркулов,

ЗАО «ТЕРМИКО», генеральный директор

Для реализации заложенных метрологических характеристик термометра сопротивления необходимы оптимальный выбор его контактной части и правильная установка на трубопроводе. В статье описываются способы снижения погрешности при измерении температуры. Материал представлен на Международной научно-практической конференции «Коммерческий учёт энергоносителей» (г. Санкт-Петербург).

Ключевые слова: термометр сопротивления, гильза, чувствительный элемент, измерение температуры.

Термометр сопротивления конструктивно представляет собой чувствительный элемент - напыленный или проволочный резистор, выполненный из материала с хорошо известной, однозначной и долговременно воспроизводимой температурной зависимостью сопротивления. Для удобства работы этот чувствительный элемент может быть помещён в корпус, имеющий, к примеру, штуцер для его фиксации в измеряемом объекте, а также клеммную головку или кабель для связи с вторичным, показывающим, прибором. Вторичный прибор обеспечивает необходимый рабочий ток через чувствительный элемент и производит измерения Rчэ, однозначно связанные с его температурой. Измерения сопротивления могут быть организованы по 2-, 3- или 4-проводным схемам. Две последних являются самыми правильными и точными, так как позволяют автоматически учитывать сопротивление подводящих проводников, чего не обеспечивает двухпроводная схема подключения чувствительного элемента к вторичному прибору. Двухпроводная схема применяется при коротких линиях связи и там, где сопротивление подводящих проводов может быть измерено и учтено потребителем.

Чувствительная часть термометра находится в начале его погружной части в пределах от 8 до 40 мм и определяется размером применяемого в нём проволочного чувствительного элемента. Для термометра сопротивления с напылённым элементом ввиду малости их размеров чувствительная часть не превышает 5 мм.

Рассмотрим тепловые процессы, действующие на чувствительный элемент термометра сопротивления. Рабочий конец термометра помещён на глубину Ь в измеряемую среду с температурой Тизм (рис. 1). Длина чувствительного элемента Ьчэ Обратный конец термометра находится в «комнате» с температурой Ткомн-Пусть Тизм>Ткомн. На чувствительный элемент и выводы через корпус термометра с теплопроводящей засыпкой действуют тепловые потоки, выравнивающие их температуру с температурой измеряемой среды. С обратной стороны термометра идёт тепло-отводящий поток, приводящий к появлению участков термометра с температурой ниже Тизм. При малой глубине погружения термометра в измеряемую среду этот теплоотвод оказывает заметное влияние на температуру чувствительного элемента, занижая её значение относительно истинной Тизм. Возникает ошибка в результатах температурных измерений, и

она тем больше, чем больше разность Тизм - Ткомн, чем больше диаметр термометра и чем меньше глубина погружения термометра Ь.

Исходя из опыта работы в области теплосбереже-ния, для сохранения всех заявленных метрологических характеристик термометр с рабочим диаметром 4-6 мм

ТЕПЛООТВОД

I

Рис. 1. Тепловые процессы, действующие на чувствительный элемент

= 50

Энергобезопасность и энергосбережение

должен погружаться в измеряемую среду не менее чем на три размера длины элемента Ьчэ, а все выступающие за объект измерения части термометра должны быть эффективно теплоизолированы.

В случае Ткомн>Тизм паразитный тепловой поток направлен из «комнаты» в направлении чувствительного элемента и смещает его температуру в сторону увеличения относительно Тизм.

Часто для установки термометра в измеряемый объект используется гильза. Основное назначение гильзы - расширение возможностей использования термометров в измеряемой среде с рабочими давлениями и скоростными напорами, превышающими прочностные характеристики корпуса. К тому же наличие гильзы даёт возможность произвести замену термометра и регламентные работы с ним без снятия давления в измеряемой системе.

Безусловно, термометр, помещённый в гильзу, будет иметь дополнительную погрешность измерения температуры [1], которая зависит от величины зазора в паре «гильза - термометр» и её геометрических размеров, то есть от величины теплоот-вода указанной пары. В [2] и [3] теоретически и практически исследована зависимость величины дополнительной погрешности измерения температуры. Там уже рассмотрено влияние некоторых факторов - величины зазора, наличия в нём масла, глубины погружения рабочей части и пр. Для КТПТР-01 (с диаметром рабочей части 8 мм и длиной 120 мм) в гильзе с зазором 0,2-0,25 мм и маслом в зазоре при измерениях при 130 °С ошибка составляет (занижение температуры) 0,27 °С. Для КТПТР-05 (с диаметром рабочей части 6 мм и длиной 70 мм) в гильзе с зазором 0,15 мм в той же области температур ошибка составила 0,22 °С для сухой гильзы и менее 0,1 °С для гильзы с маслом в зазоре.

Для определения составляющей погрешности измерений температуры, обусловленной размещением термопреобразователя в гильзе, и с целью её минимизации нами проведены следующие измерения. В качестве термометров сопротивления использовались комплекты КТПТР-03, представляющие собой пару согласованных платиновых термометров ЧЭПТ-3, конструктивно оформленных в корпус из нержавеющей трубки диаметром 4 мм и длиной 40 мм с фторопластовым кабелем связи по 4-проводной схеме соединения. Они помещались в гильзы ГЗ-6.3-4 длиной от 40 мм и более и внутренним диаметром 4,5 и 5 мм, длина которых и определяла глубину погружения термометров. Измерения проводились как в термостате, так и на проточной, более близкой к реальным условиям применения, системе с трубой Ду20 с различными скоростями потока теплоносителя (вода). Рабочая температура +50 °С. Вся аппаратура позволяла получать долговременное воспроизводимое разрешение по температуре с инструментальной погрешностью не более ±0,03 °С. В качестве теплопроводящих веществ -заполнителей зазора, использовались силиконовое масло или теплопроводная паста КПТ-8 плюс силиконовое масло, обладающие, на наш взгляд, несколько лучшими качествами по сравнению с известной пастой КПТ-8 (ГОСТ 19783-74).

Результаты температурных измерений в системе «гильза - термометр сопротивления» при зазоре 0,5 мм приведены в табл. 1. Для термометра сопротивления с НСХ Р1500 применён напыленный элемент фирмы НЕНАЕТО размером 2,1х2,5х0,8 мм. Для НСХ 100П -проволочный элемент «ТЕРМИКО» в керамике диаметром 3 мм и длиной 12 мм. Длина защитной гильзы - 40 мм.

Видно, что использование теплопроводной пасты в качестве наполнителя зазора предпочтительнее масла,

Таблица 1

Зависимость погрешности измерения температуры +50 °С термометром сопротивления в гильзе с различным наполнителем зазора 0,5 мм между ними

Термометр сопротивления в гильзе, Тизм+50 °С, зазор - 0,5 мм Без наполнителя в зазоре, °С Масло в зазоре, °С Теплопроводная паста в зазоре, °С

КТПТР-03-Р1500 № 205 № 205А -1,11 -1,15 -0,30 -0,34 -0,055 -0,055

КТПТР-03-100П № 213 № 213А -1,57 -1,51 -0,39 -0,34 -0,03 -0,05

Итак, для правильного измерения температуры парой «гильза - термометр сопротивления» необходимо по возможности минимизировать величину зазора в ней, заполнить его теплопроводящим веществом, которое выдерживает рабочие температуры, и уменьшить теплоотвод в «комнату». Последнее достигается хорошим тепловым контактом термометра в месте его монтажа (крепления) в гильзу, уменьшением геометрических размеров пары, теплоизоляцией трубы и всех выступающих за измеряемый объект «лишних» частей термометра, гильзы и бобышки.

так как при этом составляющей погрешностью измерений, обусловленной размещением термометра сопротивления в гильзе, можно во многих случаях пренебречь. Действительно, она меньше одной трети инструментальной погрешности используемого термопреобразователя - 0,08 °С для класса А при +50 °С. При этом «объёмность» проволочного элемента 100П по сравнению с напыленным элементом Р1500 оказывается незначимой даже для столь коротких длин термометра и гильзы. Для этих же термометров, помещённых в гильзы с рабочей длиной больше 40 мм, полученные нами результаты ещё лучше.

ВМИПИИИ

Диагностика и надежность энергооборудования

51 =

Ниже приведены результаты подобных измере- данного типа термометра [5]. Трубопровод и выступаю-ний температуры в системе «гильза - термометр щие за него «лишние» части термометра и гильзы сопротивления» с двумя разными по величине зазора- (бобышки) необходимо хорошо изолировать, чтобы ми 0,5 и 0,25 мм (табл. 2).

Таблица 2

Зависимость погрешности измерения температуры +50 °С термометром сопротивления в гильзе с различным наполнителем зазора 0,5 мм и 0,25 мм между ними

Термометр сопротивления в гильзе, Тизм+50 °С Без наполнителя в зазоре, °С Масло в зазоре, °С Теплопроводная паста в зазоре, °С

КТПТР-03-100П № 213 Зазор 0,50 мм Зазор 0,25 мм -1,47 -0,93 о со -- -0,05 -0,05

Из этих результатов видно, что стремление уменьшить зазор в системе «гильза - термометр сопротивления» меньше 0,25-0,5 мм не является обязательным, к тому же технологически это сложнее и дороже, чем простое заполнение зазора хорошим теплоносителем.

Каким бы высокоточным не был термометр сопротивления, для реализации заложенных в нём метрологических характеристик необходимы оптимальный выбор длины монтажной части и его правильная установка на трубопроводе. Отметим следующие основные моменты, позволяющие не только уменьшить температурную погрешность измерения количества потреблённого тепла теплосчётчиком, но и избежать проблем при его сдаче в эксплуатацию.

1. Термометр (в гильзе или без неё) должен быть установлен так, чтобы его чувствительная часть приходилась на зону 0,3-0,7 Ду [4]. Это означает, что регламентируется центральное по сечению трубы расположение чувствительного элемента с допускаемым отклонением от него ±0,2 Ду.

2. Рабочая длина термометра не должна быть меньше минимально возможной глубины погружения для

уменьшить отток тепла от чувствительного элемента через них в «комнату».

3. Для того чтобы термометр, помещённый в гильзу, имел допустимое «отставание» (не более одной трети от класса термометров сопротивления), необходимо, чтобы зазор между ним и внутренним диаметром гильзы не превышал 0,5 мм на сторону и был заполнен маслом или теплопроводной пастой (например, КПТ-8, разбавленной силиконовым маслом). Применение пасты даёт значительно лучший результат, чем традиционное заполнение зазора маслом.

В любом случае применение гильзы вызывает дополнительную погрешность измерения температуры. Вопрос заключается в правильной оценке величины этой погрешности, в оценке её последствий. Для более точных измерений можно рекомендовать иностранный подход (EN 1434-97) к применению гильз, который запрещает их установку на трубопроводах с Ду менее 50 мм. А удобство демонтажа термометра сопротивления без снятия давления во всей системе можно реализовать путём применения двух шаровых кранов - до «голого» термометра и после него.

Some of the nuances of temperature measurement

V. M. Merkulov,

JSC «Termiko», CEO

The optimum choice of contact part and correct installation on the pipeline are necessary for realization of the use all metro-logical characteristics of the resistance thermometer correctly. In this paper are described the ways of decrease in an error at temperature measurement. The material was presented at the International scientifically-practical conference «Commercial accounting of energy» (St.-Petersburg).

Keywords: resistance thermometer, sleeve, sensor, temperature measurement.

Литература

1. Лупей А. Г. О монтаже термопреобразователей. [Электронный ресурс]. Код доступа: http: // www.teplopunkt.ru/school/lec_0003.html

2. Ярунцев В. К. Математическое моделирование температурных полей в термометрах // Сборник докладов 1-й Всероссийской конференции по проблемам термометрии. - 2001. - С. 36-39.

3. Медведев В. А., Ненашев С. Н., Соболев В. С., Фудим Я. Г. О влиянии защитной гильзы при установке термопреобразователей теплосчётчика в трубопроводах системы теплоснабжения на погрешность измерения количества теплоты // Материалы 3 форума «Совершенствование измерений расхода, регулирование и коммерческий учёт энергоносителей». - СПб. - 2003. - С. 214-221.

4. ГОСТ 8.586.5-2005. Государственная система обеспечения единства измерений. Измерение расхода и количества жидкостей и газов с помощью стандартных сужающих устройств. Часть 5. Методика выполнения измерений.

5. ГОСТ Р 8.625-2006. Государственная система обеспечения единства измерений. Термометры сопротивления из платины, меди и никеля. Общие технические требования и методы испытаний.