Дилатометрические термометры

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ

Физические свойства нефти (плотность, вязкость, количество газа и парафина, растворенных в нефти, и фазовые состояния нефти) в значительной степени зависят от ее температуры. Технология процесса добычи, промыслового сбора и первичной подготовки нефти на промыслах, транспорт и переработка ее зависят от температурных факторов, при которых протекают эти процессы. Поскольку физические свойства нефти зависят от температуры, при взятии глубинной пробы для изучения ее специальной исследовательской аппаратурой в пластовых условиях необходимо измерить температуру в скважине в месте ее отбора. Контроль температуры на забое скважин необходим при обработке призабойной зоны (солянокислотная, термокислотная и искусственный разогрев пласта) с целью увеличения добычи нефти. Температура пласта в некоторой степени характеризует состояние его и требует периодического контроля.

Температура является одним из важнейших параметров, характеризующих химико-технологические процессы при переработке нефти и газа, поскольку агрегатные состояния, фракционный состав и качество промежуточных процессов переработки нефти на заводах характеризуются температурными параметрами и зависят от точного поддержания температуры. Температуру необходимо измерять в трубопроводах с теплоносителем, в водонасосных, нефтенасосных и компрессорных станциях для контроля состояния подшипников.

Измерение температуры в резервуарах с нефтью и нефтепродуктами является необходимым элементом количественного учета.

§ 1. ТЕМПЕРАТУРНАЯ ШКАЛА
И МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

Температурой называют степень нагретости вещества. Температура вещества связана с запасом его внутренней энергии, носителями которой являются атомы и молекулы. Поскольку средняя кинетическая и потенциальная энергии атомов и молекул вещества зависят от температуры, то практически все физические свойства вещества зависят от его температуры. Так, при изменении температуры твердого тела изменяются его линейные размеры, плотность, твердость, модуль упругости, разрушающие напряжения, электропроводность, теплопроводность, теплоемкость и ряд других свойств. Свойства газов, жидких тел (фазовые состояния, плотность, объем, вязкость и др.) являются функцией температуры вещества.

Возможность измерения температур основана на теплообмене, на передаче тепла от более нагретого вещества к менее нагретому. Для того чтобы иметь возможность количественно определить значение измеряемой температуры, необходимо установить единицу измерения. Установление единицы измерения температуры (градус) связано с установлением шкалы температур. Шкала температур представляет собой непрерывную совокупность чисел, линейно связанных с численными значениями какого-либо удобно и достаточно точно измеряемого физического свойства, представляющего собой однозначную функцию температуры/Для построения температурной шкалы выбирают опорные точки, характеризующиеся неизменностью и воспроизводимостью температуры при определенных физических условиях. Допустим, такими опорными точками выбраны температуры кипения или затвердевания чистых веществ и им присвоены значения и . Тогда единица измерения

(8.1)

где N — целое число, на которое разбивается температурный интервал между опорными (реперными) точками.

В течение длительного времени широко применялась температурная шкала, предложенная Цельсием, в которой в качестве двух реперных точек брались температуры таяния льда и кипения воды при давлении 760 мм рт. ст. и ускорении силы тяжести 980, 665 см/с². Цельсий полагал, что зависимость между изменением температуры и объемным расширением жидкости линейная. Однако в природе не существует жидкостей с линейной зависимостью между объемным расширением и температурой. Поэтому показания термометров зависят от природы термометрического вещества.

С развитием науки и техники возникла необходимость создания температурной шкалы, не связанной с какими-либо свойствами термометрического вещества и пригодной в широком интервале температур. В 1848 г. английский физик Кельвин предложил построить температурную шкалу на основе второго начала термодинамики . Такая шкала была названа термодинамической шкалой температур. Решением XI Генеральной конференции по мерам и весам и ГОСТ 8550-61 предусматривается применение двух температурных шкал: термодинамической с единицей измерения Кельвин (К) и международной практической с единицей измерения градус Цельсия (°С).

В термодинамической шкале Кельвина нижней точкой является точка абсолютного нуля (0 К), а единственной экспериментальнои реперной точкой — тройная точка воды. Этой точке присвоено числовое значение 273,16 К. Тройная точка воды — точка равновесия воды в твердой жидкой и газообразной фазах — лежит выше точки таяния льда на 0,01 К- Термодинамическую температуру обозначают буквой Т.

Практически осуществить шкалу Кельвина невозможно, так как уравнение ее выведено для идеального цикла Карно. Термодинамическая шкала совпадает со шкалой газового термометра, заполненного идеальным газом, если при нормальном давлении принять точку кипения воды за 100°, а точку таяния льда за нуль. Такую шкалу принято называть стоградусной термодинамической.

Некоторые реальные газы (гелий, неон, водород) в широком интеовале температур по своим свойствам мало отличаются от идеального газа, поэтому температурная шкала газового термометра, заполненного одним из этих газов, близка к термодинамической шкале температур. Создать точные газовые термометры сложно, вследствие чего практическое решение воспроизведения термодинамической шкалы весьма затруднительно. Поэтому термодинамическая шкала по существу является теоретической. Возникла необходимость создания такой температурной шкалы, отдельные точки которой были бы постоянны, легко воспроизводимы и расстояния между ними достаточно велики. Такой шкалой явилась международная практическая температурная шкала. Соотношение между температурой, выраженной по^ абсолютной термодинамической шкале, и той же температурой по международной шкале устанавливается равенством

(8.2)

Все приборы для измерения температуры основаны на изменении свойств различных веществ в зависимости от температуры. Многообразное влияние температуры па изменение физических свойств веществ вызвало применение различных методов и среде 1 в измерения температуры.

В настоящее время существуют приборы для измерения температур, основанные на изменении:

1) объема тела (термометры расширения);

2) давления рабочего вещества в замкнутой камере (манометрические термометры);

3) электрического сопротивления проводников (электрические термометры сопротивления);

4) термоэлектродвижущей силы (термоэлектрические термометры) ; .

5) лучеиспускательной способности нагретых тел (пирометры

излучения).

ТЕРМОМЕТРЫ РАСШИРЕНИЯ

Жидкостно-стеклянные термометры

Действие жидкостно-стеклянных термометров основано на тепловом расширении жидкости в стеклянном резервуаре в функции температуры. Тепловое расширение жидкости в интервале температур характеризуется коэффициентом объемного расширения . Этот коэффициент определяется по формуле

(8.3)

где и — обтаем рассматриваемой жидкости при температурах и ; — объем той же жидкости при 0° С.

Поскольку ртуть находится в стеклянном резервуаре, показания термометра зависят не только от изменения объема ртути, но и от изменения объема резервуара. С повышением температуры объем резервуара увеличивается, вследствие чего происходит понижение показаний термометра.

Поэтому для характеристики термометра пользуются видимым коэффициентом расширения ртути в стекле

(8.4)

где — температурный коэффициент расширения жидкости в интервале температур , ; — температурный коэффициент расширения стекла в том же интервале температур.

Для изготовления термометров применяют специальные стекла с малым коэффициентом .

Дилатометрические термометры

Термометры основаны па изменении линейных размеров твердого тела при изменении температуры. Степень удлинения твердого тела характеризуется термическим коэффициентом линейного расширения р (в °С ^х), означающим относительное изменение длины тела при изменении его температуры в среднем на 1° С в соответствующем температурном интервале:

(8.5)

где и — линейные размеры тела при температурах соответственно и ; — термический коэффициент линейного расширения материала в том же интервале температур.

Линейное изменение твердого тела в зависимости от изменения температуры выражается формулой

(8.6)

где — длина твердого тела при температуре t ; — длина того же тела при температуре 0°С; — средний коэффициент линейного расширения в интервале температур от 0 до .

Схема устройства дилатометрического термометра изображена на рис. 8.1. В качестве чувствительного элемента в этом приборе применена трубка 2, изготовленная из материала (латуни или меди), имеющего значительный температурный коэффициент линейного расширения. Внутри трубки, впаянной в корпус 3, находится стержень 1, изготовленный из материала с малым коэффициентом линейного расширения (например, инвар). При повышении температуры измеряемой среды длина трубки 2 увеличится. Это вызовет перемещение вниз стержня 1. При этом пружина 9 переместит вниз свободное плечо коромысла 4, которое через тягу 8 и зубчатый сектор 7 повернет вокруг своей оси стрелку 6. Последняя по шкале 5 покажет значение измеряемой температуры.

Промышленность выпускает дилатометрический преобразователь температуры ПТПД с унифицированным пневматическим выходным сигналом. Преобразователи ПТПД-1-1 предназначены для измерения температуры среды, не вызывающей коррозии латуни Л63 (ГОСТ 15527—70) и П_ср40; преобразователи ПТПД-2-1, ПТПД-2-2, ПТПД-2-3 и ПТПД-2-4 — для измерения температуры среды, не вызывающей коррозии стали Х17Н1ЗМ2Т (ГОСТ 5632-72).

Биметаллические термометры

Чувствительный элемент биметаллического термометра представляет собой пружину, состоящую из двух, спаянных по всей плоскости пластин, имеющих существенно различные термические коэффициенты линейного расширения. Изменение температуры вызывает различное линейное удлинение пластин. Так как пластины не могут перемещаться относительно друг друга, пружина прогибается в сторону пластины, имеющей меньший термический коэффициент линейного расширения. Чем больше разница термического коэффициента линейного расширения пластин, тем больший прогиб пружины при изменении температуры.

Схема устройства биметаллического термометра показана на рис. 8.2. При изменении температуры биметаллическая пружина 1 прогнется вниз. При этом тяга 2 повернет стрелку 4 вокруг оси 3. Стрелка покажет но шкале 5 значение измеренной температуры.

МАНОМЕТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ

Принцип действия манометрических термометров основан на изменении давления вещества, заключенного в замкнутом объеме, при изменении его температуры. Известно, что тепловое воздействие на термометрическое вещество должно привести к изменению сто объема. Если в качестве термометрического вещества применить жидкость, то

(8.7)

где - термический коэффициент объемного расширения; — начальный объем; — разность температур (диапазон нагрева).

В случае, если объем постоянной (V = const), тенденция к расширению термометрического вещества приводит к повышению его давления согласно закону сжимаемости, из которого следует, что

(8,8)

где — изменение давления, необходимое для уменьшения начального объема на величину ; — коэффициент сжимаемости термометрического вещества.

Решая совместно (8.7) и (8.8), получаем

(8.9)

Введя в выражение (8.9) начальное давление, получаем

(8.10)

(8.11)

где — термический коэффициент давления (при постоянном объеме термометрического вещества), .

В общем случае величина постоянна и зависит от температуры и начального давления термометрического вещества. Из приведенных рассуждений видно, что чем выше термический коэффициент объемного расширения , тем выше его термический коэффициент давления , следовательно, выше чувствительность прибора.

В качестве термометрического вещества в манометрических термометрах могут быть газ, жидкость или пар. Соответственно манометрические термометры называют жидкостными, газовыми и конденсационными.

Пределы измерений термометра зависят от температуры затвердевания и кипения термотрического вещества. Если точка затвердевания термометрического вещества в манометрическом термометре постоянна для каждого отдельного вещества, то точка кипения его лежит выше той, которая определена при нормальных условиях. Это объясняется тем, что термометрическое вещество в термометре при повышении температуры находится под давлением.

Манометрический термометр представляет собой замкнутую систему, состоящую из термобаллона, капилляра и манометра, заполненных термометрическим веществом. Конструктивно манометрические термометры (газовые, жидкостные и паровые) сходны между собой и различаются в основном лишь термометрическим веществом, заполняющим термобаллон, капилляр и манометрическую трубку.

Схема прибора показана на рис. 8.3. Термобаллон 1 представляет собой стальной или латунный продолговатый цилиндричский толстостенный сосуд, практически не деформирующийся при давлении, возникающем в сосуде от нагревания термометрического вещества. Капилляр 2 изготовляется из бесшовной стальной или медной трубки внутренним диаметром 0,1— 0,5 мм. Длина капилляра может изменяться от нескольких сантиметров до десятков метров в зависимости от расстояния между местом измерения и вторичным прибором. 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 азотом, применяются для' измерения температур от 0 до 600° C.I Начальное давление в газовых термометрах устанавливают в зависимости от пределов измерения 0,98—4,7 МПа (10 — 50 кгс/см²). Чем выше предел измерения, тем выше 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 температуре градуировки прибора, воздействуя на капилляр и манометрическую пружину вторичного прибора, может внести погрешность в показания термометра. Погрешность измерения при нагревания манометрической трубки можно определить по формуле

(8.12)

где — объем манометрической пружины; — объем термобаллона; — температура среды, окружающей манометр, °С; —температура градуировки прибора (+20° С).

Погрешность при нагревании капиллярной трубки

(8.13)

где — объем капиллярной трубки; — температура среды, окружающей капилляр.

Как видно из формул (8.12) и (8.13), дополнительная погрешность тем больше, чем больше объемы манометрической трубки и капиллярной трубки . Для уменьшения влияния манометрической трубки и капилляра на погрешность измерения термометр конструируют так, чтобы объем термобаллона составлял 90% от общего объема термометра. Пользуясь формулой (8.13), можно определить наибольшую длину капилляра, при которой в заданном интервале температур погрешность не будет превышать допустимого значения. При правильно выбранном соотношении объемов газовые манометрические термометры с достаточной точностью можно эксплуатировать при длине капилляра до 40— 60 м. При очень большой длине капиллярной трубки необходимый объем термобаллона может оказаться настолько большим, что это вызовет значительную тепловую инерцию прибора.

У технических манометрических термометров газовых и жидкостных длина термобаллонов 255— 455 мм, диаметры газовых 22, а жидкостных 20 и 14 мм. В ряде случаев для компенсации погрешностей от колебаний температуры окружающей среды применяют компенсационное устройство, которое представляет собой биметаллическую пружину, связанную с указателем прибора и действующую в направлении, противоположном действию манометрической пружины.

На рис. 8.4 приведена схема газового манометрического термометра с пневмопреобразователем (ТПГ-189П) для дистанционной передачи показаний. 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.

При повышении измеряемой температуры заслонка 5 приближается к соплу 7. При этом давление воздуха в камерах Г и В возрастает. А1ембраны, 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 7 откроется, а клапан 10 закроется. Давление на выходе усилителя и в канале обратной связи уменьшается. Пружина 11 будет скручиваться и сопло 7 приблизится к заслонке 5. Диапазон изменения давления воздуха на выходе преобразователя 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 малой теплопроводностью газа, а также большими размерами 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 для манометрического термометра выбирают ртуть (диапазон измерений от —30 до I 600° С) и ксилол (диапазон измерений от —40 до +200° С). Чтобы жидкость не закипела, в термометре создается начальное давление 1,47—1,96 МПа. В конденсационных парожидкостных манометрических термометрах термобаллон заполняется на 2/3 объема низкокипящей жидкостью. В замкнутой системе термометра всегда существует динамическое равновесие одновременно протекающих процессов испарения и конденсации. При повышении 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 парожидкостного термометра следует отнести то, что изменение температуры манометрической трубки и капилляра не влияет на величину давления 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.

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.

Выпускаются следующие типы манометрических термометров.

Термометры манометрические показывающие без дополнительных устройств: газовые ТПГ-180, жидкостные ТПЖ-180 и конденсационные (прожидкостные) ТПП-180.

Термометры манометрические показывающие с устройством для пневматической дистанционной передачи: газовые ТПГ-189П, жидкостные ТПЖ-189Г1.

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 ТСГ-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 ТСЖ-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 ТСЖ-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, длине дистанционного капилляра, длине погружаемой части (термобаллона и жесткого хвостовика). Класс точности всех типов 1 и 1,5.