Материал: Основы автоматизации производства
В зависимости от диапазона измеряемой температуры выпускают три типа телескопов (ТЭРА-50), отличающиеся друг от друга устройством чувствительного элемента. Кроме описанной выше конструкции в качестве чувствительного элемента используют батареи миниатюрных термометров сопротивления или различные полупроводниковые фоторезисторы.
На показания радиационных пирометров оказывает влияние поглощение лучистой энергии водяными парами и углекислым газом, которые имеются в воздухе. Поэтому оптимальным считается расположение пирометра на расстоянии 0,8-1,3 м от объекта измерения.
Радиационные пирометры применяют для автоматического контроля и регулирования температуры в рабочем пространстве плавильных и топливных термических печей, соляных ванн, т. е. в тех случаях, когда приборы для измерения температуры контактным методом применять невозможно вследствие разрушения их чувствительных элементов при высоких температурах.
Ко второй группе приборов относятся оптические и фотоэлектрические пирометры.
Рис. 61. Оптический пирометр с исчезающей нитью:
а – схема прибора; б, в и г – изображение нити на фоне объекта измерений (б – яркость нити меньше яркости объекта; в – яркость нити больше яркости объекта; г – яркость нити совпадает с яркостью объекта)
Принцип действия (рис. 61) оптического пирометра с «исчезающей» нитью основан на сравнении яркостей объекта измерения и нити фотометрической лампы накаливания. Пирометр состоит (рис. 61, а) из передвижного объектива 3 с линзой 2, фотометрической лампы накаливания 4, яркость нити которой регулируется реостатом 7. Для питания лампы используется батарея 8. Оператор-пирометрист, смотрящий в окуляр 6, должен направить телескоп пирометра таким образом, чтобы видеть нить фотометрической лампы на фоне раскаленного тела 1, температуру которого необходимо измерить. Передвижением окуляра 6 и объектива 3 он добивается получения изображения раскаленного тела и нити лампы в одной плоскости. Перемещением движка реостата 7 оператор изменяет силу тока, проходящего через лампу и добивается уравнения яркостей нити и раскаленного тела. Если яркость нити меньше яркости тела, то нить на фоне тела выглядит черной полоской (рис. 61, б), при большей температуре нити она будет выглядеть как светлая дуга на более темном фоне (рис. 61, в). При равенстве яркостей нити и тела последняя как бы «исчезает» из поля зрения оператора (рис. 61, г), что свидетельствует о равенстве яркостных температур объекта измерения и нити лампы. В этот момент производится отсчет измеряемой температуры по милливольтметру 9, который заранее проградуирован в градусах Цельсия. Красный светофильтр 5 пропускает область светового потока с длиной волны 0,65 мкм и шириной около 0,1 мкм. Данный тип пирометра имеет шкалу с двумя пределами измерений: 800 ... 1400 °С и 1200 ... 2000 °С. При измерении температур, лежащих во втором интервале, погрешность прибора составляет ±20 °С.
На точность измерения этим прибором оказывают влияние расстояние до объекта измерения, запыленность помещения и попадание посторонних лучей. Так как оптический пирометр является прибором с ручной наводкой, то он предназначен только для периодических измерений. Оптимальное расстояние от пирометра до измеряемого объекта 0,7 ... 6 м. В литейных цехах его применяют для контроля температуры жидкого металла при разливке в литейные ковши и при заливке металла в формы. В термических цехах пирометр используют для периодического контроля температур в печах-ваннах и топливных термических печах.
Оптический пирометр с исчезающей нитью, в котором нуль-прибором служит глаз оператора, не может быть использован для автоматического регулирования температуры и для измерения температуры быстропротекающих процессов. В этих случаях применяют фотоэлектрический пирометр, в котором измерение температуры осуществляется объективным и безынерционным методами. В качестве приемников у них используются фотоэлементы, фотодиоды и фоторезисторы.
Фотоэлектрические пирометры делят на две группы. К первой относятся пирометры, у которых значение фотопотока приемника излучения пропорционально яркости излучения нагретого тела. У пирометров второй группы фотоприемник служит только индикатором равенства яркостей объекта измерения и стабилизированного источника излучения.
Фотоэлектрические пирометры первой группы имеют более простую конструкцию. Поток лучистой энергии у них с помощью линзы и диафрагмы фокусируется на приемной площадке германиевого или кремниевого фотодиода, работающего в генераторном режиме. В цепь фотодиода включен резистор нагрузки. С помощью быстродействующего потенциометра измеряется падение напряжения, пропорциональное фототоку, т. е. температуре объекта. Эти пирометры характеризуются малой инерционностью в работе, имеют пределы измерения 500 ... 2500 °С. Класс точности 1,5.
7. Техника безопасности при контроле температуры
К числу мероприятий по технике безопасности при эксплуатации установок и приборов для контроля температуры относятся следующие.
Все отдельно стоящие приборы, к которым подводится электрический ток опасного напряжения, должны быть надежно заземлены. Если приборы размещены на щитах управления, то должны быть заземлены и щиты.
Подходы к первичным преобразователям температуры, установленным в труднодоступных местах, должны быть обеспечены смотровыми площадками, мостиками и лестницами.
Электропитание приборов для контроля температуры должно подводиться с центрального пульта управления. Каждая линия питания должна иметь самостоятельный переключатель и устройство защиты от токов короткого замыкания.
При замере температуры жидкого металла для защиты работающих от теплового потока должны использоваться теплозащитные устройства, обеспечивающие интенсивность теплового потока на рабочих местах не более 0,35 кВт/кг (ГОСТ 12.4.123–83).
К замерам температуры на установках электротермического нагрева (при использовании генераторов УВЧ и СВЧ), а также при разливе металла женщины не допускаются.
Контрольные вопросы и задания
1. Что такое температура?
2. Какие шкалы температуры применяют в настоящее время?
3. Расскажите о классификации приборов для контроля температуры.
4. Как устроен и работает жидкостный термометр?
5. Как устроен и работает дилатометрический термометр?
6. Как устроен и работает биметаллический термометр?
7. Как устроен и работает манометрический термометр?
8. Расскажите о классификации манометрических термометров и их характеристиках.
9. Расскажите о принципе действия термопары.
10. Какие существуют способы включения термопар?
11. Расскажите об основных характеристиках промышленных термопар.
12. Как работает пирометрический милливольтметр?
13. Как устроен и работает переносной потенциометр?
14. Как устроен и работает термометр сопротивления?
15. Расскажите о характеристиках промышленных термометров сопротивления.
16. Как устроен и работает логометр?
17. Как устроен и работает мост с ручной компенсацией?
18. Как устроен и работает радиационный пирометр?
19. Расскажите об устройстве и принципе работы оптического пирометра.
20. Как устроен и работает фотоэлектрический пирометр?
Лабораторная работа 3. Измерение температуры термоэлектрическим термометром
Содержание работы. Изучить устройство, принцип действия и основные характеристики термоэлектрического термометра. Произвести поверку градуировки термопары.
Описание лабораторной установки. На рис. 62 показана схема установки для градуировки термопары. Образцовую 1 и поверяемую 2 термопары помещают в металлическом контейнере 3 в электрическую лабораторную печь 4, электрические нагреватели которой питаются от электросети через лабораторный автотрансформатор (ЛАТР) 5. Свободные концы обеих термопар 10 с помощью компенсационных проводов 6 выносят в термостат 9, заполненный тающим льдом. В термостате свободные концы термопар находятся в пробирках с маслом. Термопары подсоединяют к измерительному прибору 8 (потенциометр лабораторного типа) с помощью медных соединительных проводов и переключателя 7.
Порядок выполнения работы. 1. Собрать электрическую схему установки. 2. Включить нагрев печи и снять показания термопар для четырех-шести значений температуры через 100–200 °С, для чего изменять напряжение, подводимое к нагревательным элементам печи.
Рис. 62. Схема установки для градуировки термопар
Содержание отчета. Отчет должен содержать краткое описание принципа действия термопары, таблицу результатов проведенных опытов и заключение по работе.
Лабораторная работа 4. Измерение температуры нагретого тела оптическим и радиационным пирометрами
Содержание работы. Изучить устройство и принцип действия оптических и радиационных пирометров. Ознакомиться с методикой измерения температуры с их помощью. Произвести поверку пирометров.
Описание лабораторной установки. Поверка радиационного и оптического пирометров производится сравнением их показаний с результатами замеров температуры с помощью термопары, наклеенной на поверхность металлической пластины и подключенной к электронному автоматическому потенциометру. На рис. 63 показана схема для поверки пирометров.
Рис. 63. Схема установки для поверки оптических и радиационных пирометров
Металлическую пластину 3, для которой известны значения степени черноты, с наклеенной термопарой 2 помещают в муфельную печь 4, подключенную к сети через лабораторный автотрансформатор 5. Термопара подключена к электронному автоматическому потенциометру 1. На пластину направляют объективы поверяемых оптического и радиационного пирометров 6. Установка объектива и подключение датчика к вторичному прибору должны производиться в строгом соответствии с техническими условиями на эти приборы.
В процессе работы проводят ряд замеров.
Порядок выполнения работы. 1. Ознакомиться с устройством оптического и радиационного пирометров и изучить принцип их действия. 2. Собрать схему для поверки одного из пирометров (по указанию преподавателя). Поместить металлическую пластину в муфельную печь и включить нагреватели печи. 3. Провести четыре-шесть замеров в диапазоне 800 ... 1200 °С с помощью оптического или радиационного пирометра. Одновременно с этим контролировать температуру в комплекте с электронным автоматическим потенциометром.
Содержание отчета аналогично лабораторной работе 3.
Глава 8. Контроль давления и разрежения
1. Общие сведения и классификация приборов
Для нормальной работы топливных термических и плавильных печей необходимо контролировать давление топлива и воздуха как после регулирующих органов, так и перед горелками. Кроме того, необходимо поддерживать постоянное давление в рабочем пространстве печи и обеспечивать определенную тягу, создаваемую дымовой трубой или дымососом. При работе вакуумных печей контроль разрежения обеспечивает качество и стабильность процесса.
Согласно молекулярно-кинетической теории под давлением понимается сила, с которой молекулы вещества в термодинамической системе воздействуют на единицу ограничивающей ее поверхности. При определении давления принято различать атмосферное, избыточное, абсолютное и вакуумметрическое давление.
Атмосферное давление Ратм – давление, оказываемое атмосферой на все предметы, находящиеся в ней. Так как атмосферное давление измеряется барометрами, то его принято называть барометрическим.
Избыточное давление Ризб – давление в каком-либо замкнутом объеме сверх атмосферного. Избыточное давление измеряют в основном манометрами, поэтому чаще его называют манометрическим;
Абсолютное давление Рабс – сумма атмосферного и избыточного давления, т. е. Рабс = Ратм + Ризб.
Под вакуумом (разрежением) понимают состояние газа, при котором его давление меньше атмосферного. Вакуумметрическое давление Рвак – это разность между атмосферным давлением и абсолютным давлением внутри вакуумметрической системы.
В Международной системе единиц СИ за единицу давления принят один паскаль – действие силы в один ньютон (1 Н) на площадь в один квадратный метр (м2). Но эта единица очень мала, поэтому для измерения средних и высоких давлений целесообразно применять кратные единицы: килопаскаль (кПа) и мегапаскаль (МПа). Наряду с паскалем при контроле давления в металлургической промышленности пока еще используется ряд внесистемных единиц давления. Например, техническая атмосфера – 1 кгс/см2 = 9,8–104 Па. Атмосфера – величина довольно большая, поэтому на практике для измерения малых давлений применяют миллиметр ртутного столба (мм рт. ст.) и миллиметр водяного столба (мм вод. ст.). Техническая атмосфера равна давлению ртути высотой 735,56 мм или столба воды высотой 10 м.
При измерении давления в движущейся среде различают статическое и динамическое давление. Статическое давление Рст зависит от запаса потенциальной энергии движущейся среды и определяется статическим напором. Динамическое давление Рдин определяется скоростью движения среды. Полное давление Рп движущейся среды слагается из статического и динамического давлений. В дальнейшем под термином давление будет подразумеваться статическое давление.
Приборы для измерения давления и разрежения классифицируют по принципу действия и по характеру измеряемой величины. Согласно первой классификации все приборы для измерения давления подразделяют на четыре группы: жидкостные, деформационные, грузопоршневые и электрические.
В жидкостных приборах измеряемое давление уравновешивается давлением столба жидкости, высота которого определяет значение давления.
Деформационные приборы – это такие приборы, в которых измеряемое давление определяется значением деформации упругих элементов различной конструкции или значением развиваемой ими силы.
В грузопоршневых приборах измеряемое давление уравновешивается давлением, создаваемым массой поршня или дополнительного груза.
Работа электрических приборов основана на изменении электрических свойств определенных материалов при воздействии на них внешнего давления.
По характеру измеряемой величины приборы для контроля давления или разрежения подразделяют на следующие виды: барометры (для измерения атмосферного давления), манометры (для измерения избыточного давления), дифференциальные манометры (для измерения разности давления); вакуумметры (для измерения разрежения); моновакуумметры (измеряющие небольшое избыточное давление или вакуум).