Контроль технологических процессов

Принцип действия манометрических термометров (типа ТДГ, ТПГ, ТДЖ, ТПЖ, ТКП и др.) основан на изменении давления рабочего (термометрического) вещества в замкнутой герметичной термосистеме.

Термосистема манометрического термометра состоит из термобаллона, погружаемого в среду, температура которой измеряется, гибкого соединительного капилляра и манометрической трубчатой пружины. Один конец пружины впаян в держатель, канал которого соединяет внутреннюю полость манометрической пружины через капилляр с термобаллоном. Второй свободный конец пружины герметизирован и шарнирно через тягу, зубчатый сектор, шестерню перемещает показывающую стрелку. Термосистема термометра заполнена рабочим веществом: газом, жидкостью или смесью жидкости с ее насыщенным паром. При нагревании термобаллона увеличивается давление рабочего вещества в замкнутом объеме герметичной термосистемы, вследствие чего пружина деформируется (раскручивается и ее свободный конец перемещается). Движение свободного конца пружины передаточным механизмом преобразуется в перемещение указателя относительно шкалы прибора, по которой производят отсчет температуры.

Дилатометрические и биметаллические, термометры основаны на использовании свойств твердого тела изменять свои линейные размеры при изменении температуры.

Действие биметаллического термометра основано на измерении разности линейных расширений при нагревании двух свареных между собой по всей плоскости соприкосновения разнородных металлов, обладающих различными коэффициентами линейного расширения. При нагревании такого биметаллического элемента он изгибается в сторону металла с меньшим коэффициентом линейного расширения и при заданной температуре замыкает сигнальные контакты. Биметаллические температурные реле применяются для интервала температур от -60 до +3000С.

Дилатометрический термометр (типа ТУДЭ, РТ и др.) состоит из металлической трубки, внутри которой имеется связанный с донышком трубы стержень, причем материал стержня обладает меньшим коэффициентом линейного напряжения, чем материал трубки. При измерении трубка должна быть целиком погружена в среду, температура которой измеряется. С повышением температуры среды трубка удлиняется больше, чем стержень, вследствие чего стержень перемещаемся вниз. Это перемещение стержня через систему рычагов преобразуется в перемещение стрелки относительно шкалы. Пределы измерения дилатометрических термометров составляют от -150 до +7000С.

Термометры сопротивления, автоматические уравновешенные мосты. Принцип действия термометра сопротивления основан на зависимости электрического сопротивления чувствительного элемента от температуры. Чувствительным элементом термометра сопротивления является топкая металлическая проволока (платиновая или медная), намотанная на керамический каркас. Концы проволоки колпачке приварены к выводам, которые соединяются с кабелем для передачи показаний. Чувствительный элемент заключен в защитную арматуру. Штуцер служит для монтажа термометра.

Платиновые термометры сопротивления (ТСП) используются для измерений от -200 до +6500С, медные термометры сопротивления (ТОМ) - для измерений от -50 до +1800С. Наиболее благоприятные с точки зрения надежной работы термометров сопротивления верхние пределы измерения составляют: 6000С для ТСП и 1000С для ТСМ.

Кроме проволочных термометров сопротивления выпускаются термометры сопротивления, чувствительные элементы которых изготовлены из полупроводниковых материалов. Полупроводниковые термометры сопротивления намываются термисторами или терморезисторами. Их применяют для измерений температур -90 до +1800С.

Передача измерительной информации от термометров сопротивления осуществляется с помощью логометров и мостов, измеряющих изменение электрического сопротивления термометра при изменении температуры контролируемой среды.

Логометры в настоящее время почти не употребляются в связи с широким распространением автоматических электронных мостов, имеющих более высокий класс точности (типа КСП-4).

Автоматические уравновешенные мосты выпускаются одноточечными и многоточечными на 3, 6 и 12 точек и класса точности 0,25 и 0,5 в зависимости о г модели.

Термоэлектрические термометры и их вторичные приборы. Способ измерения температур с помощью термоэлектрических термометров основан на существовании определенной зависимости между термо-э.д.с., устанавливающейся в цепи, составленной из разнородных проводников и температурами мест их соединений.

В цепи, составленной из двух различных термоэлектрически однородных по длине проводников (например, меди и платины), при подогреве спая появляется электрический ток, который в спае направлен от платины к меди, а в холодном спае - от меди к платине. При подогреве спая ток получает обратное направление. Такие токи называются термоэлектрическими. Электродвижущая сила, обусловленная неодинаковыми температурами мест соединения, называется термо-э.д.с., а создающий ее преобразователь - термоэлектрическим термометром (ранее употреблявшееся название - термопара).

Принцип действия термоэлектрического термометра основан на эффектах Томсона и Зеебека. Эффект Томсона заключается в том, что если проводник нагрет по своей длине неравномерно, то на его нагретом конце повышается концентрация свободных электронов, которые диффундируют к холодному концу. При этом горячий конец заряжается положительно, а холодный отрицательно. Если замкнутая цепь состоит из двух различных проводников, то термо-э.д.с. Томсона в такой цепи равна разности термо-э.д.с., возникающих в каждом проводнике, и зависит от температуры спаев.

Вследствие того, что в различных металлах плотность свободных электронов (число электронов в единице объема) неодинакова, в месте соприкосновения двух разнородных металлов в спае, электроны будут диффундировать из одного металла в доугой в количестве большем, чем обратно. Поэтому между металлами возникает некоторая контактная разность потенциалов. Поскольку плотность свободных электронов в металле зависит также и от температуры спая металлов, то в месте соприкосновения этих проводников при любых температурах возникает э.д.с., называемая контактной термо-э.д.с., значение и знак которой зависят от природы металлов и температуры места их соприкосновения (эффект Зеебека).

Термоэлектрические термометры градуируются при температуре свободных концов (холодного спая) 00С. Действительная температура свободных концов может быть постоянной, но отличаться от 00С. На практике в металлургических цехах температура свободных концов изменяется в зависимости от режимов работы металлургических агрегатов и условий окружающей среды. Поэтому свободные концы термоэлектрического термометра стараются удалить от нагретых поверхностей и вывести в зону относительно низкой постоянной температуры. Для этого не увеличивают длину термоэлектрического термометра, а выполняют продление электродом термометра с помощью гибких удлиняющих проводов, обычно называемыми термоэлекгродными или компенсационными. Компенсационные провода изготавливают из более дешевых материалов, чем термоэлектроды термометров, что весьма актуально при применении термоэлектрических термометров с электродами из благородных металлов.

Пределы измерения термоэлектрических термометров зависят от материала термоэлектродов. Термометры типа ТПП с платинородий-платиновыми термоэлектродами применяются для диапазона температур от -20 до +13000С (допускается до 16000С при кратковременных измерениях); типа ТПР с платинородий-платинородиевыми - от +300 до +16000С (18000С кратковременно); типа ТХА с хромель-алюмелевыми - от -50 до +10000С (13000С кратковременно); типа ТХК с хромель-копелевыми - от -50 до ,+6000С (8000С кратковременно).

Для измерения термо-э.д.с. в комплекте с термоэлектрическими термометрами в качестве вторичных приборов применяются магнитоэлектрические милливольтметры и автоматические потенциометры. В металлургии наибольшее распространение получили автоматические потенциометры, которые применяются для непрерывного измерения, записи, сигнализации или регулирования температуры в комплекте с термоэлектрическими термометрами, а также пирометрами.

Наряду с потенциометрами КСП-4 выпускаются автоматические электронные потенциометры типов КСП1, КСП2, КСП3 с прямоугольной и дисковой шкалами, отличающиеся друг от друга только классами точности, габаритами и конструктивными особенностями. При использовании их для сигнализации и регулирования температуры они снабжаются соответствующими дополнительными устройствами. Некоторые модификации одноточечных потенциометров выпускаются с передающими преобразователями для дистанционной передачи измерительной информации. Автоматические потенциометры находят также широкое применение в качестве вторичных приборов и для измерения других величин (давления, расхода, уровня и т.д.), изменение которых может быть преобразовано в изменение напряжения постоянного тока.

Потенциометры с ленточной диаграммой выпускаются как одноточечные, так и многоточечные для измерения и записи температуры в нескольких (2, 3, 6 и 12) точках с классами точности 0,25 и 0,5.

Средство измерений (совокупность средств измерений), предназначенное для бесконтактного измерения температуры веществ по их тепловому излучению и преобразования ее в сигнал температурной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем, автоматической выработки, передачи и использования в автоматических системах управления, называется пирометром.

Пирометры широко применяются в металлургической и других отраслях промышленности, а также при проведении научных исследований для измерения температуры тел от 300 до 60000С и выше. В отличие от контактных методов измерения температур температурное поле среды при измерении температуры с помощью пирометров не искажается, поскольку измерение, осуществляемое методами пирометрии излучения, не требует непосредственного соприкосновения контролируемой среды с телом термоприемника.

Тепловой поток от нагретых тел образуется совокупностью элементарных (монохроматических) излучений с различной длиной волн (от 0,3 до 10 мкм и более). Сюда входит видимый человеческим малом диапазон длин волн от 0,4 до 0,76 мкм и невидимая инфракрасная область, на которую приходится наибольшая доля энергии теплового излучения. Измеряя энергию излучения нагретого тела, можно определить его температуру.

Пирометры частичного излучения оптические и фотоэлектрические. При применении этих пирометров из полного спектра излучения тела при помощи специального светофильтра выбирается узкий интервал с заданной длиной волны. Интенсивность излучения в этом интервале служит мерой температуры тела и определяется непосредственно путем сравнения этой интенсивности с интенсивностью излучения эталонного источника, в качестве которого используется пирометрическая лампа накаливания. Спектральный коэффициент излучения для одного и того же материала может значительно меняться в зависимости от содержания различных примесей и других факторов. Так, например, для некоторых материалов он имеет следующие значения: шлаки (жидкие) от 0,53 до 0,9; шамот (твердые) - от 0,7 до 0,8; сталь (жидкая) - 0,37; чугун (жидкий) - 0,70 (окисленный), 0,40 (неокисленный).

Непостоянство значения, особенно для расплавленных металлов, сплавов и шлаков, является одной из основных причин появления значительных погрешностей при измерении температуры пирометрами частичного излучения.

В оптических пирометрах (их еще называют пирометрами визуальными с «исчезающей» нитью) типа ОППИР-017 и «Проминь» измерение яркостных температур основано на сравнении яркости тела, температура которого измеряется с яркостью нити пирометрической лампы. При этом в качестве чувствительного элемента (приемника излучения) для фиксирования наличия или отсутствия равновесия яркостей двух одновременно рассматриваемых изображений тел служит человеческий глаз. Оптический пирометр типа ОППИР-017 состоит из объектива, окуляра, красного светофильтра, пирометрической лампы, визирной трубки, реостата, затемняющего светофильтра, измерительного прибора и источника питания. С помощью объектива и окуляра получают четкое изображение нити накаливания на фоне объекта. При фокусировке пирометра объектив перемещают вдоль оптической оси, добиваясь резкой видимости объекта. Когда пирометр сфокусирован на контролируемый объект, являющийся источником излучения, в поле зрения наблюдателя на фоне источника видна верхняя часть дуги нити лампы. Если при этом яркость нити меньше, чем яркость фона изображения источника, то нить представится черной; если наоборот, то нить будет выглядеть как светлая дуга на более темном фоне. Меняя сопротивление реостата, можно установить такую силу тока, при которой в пределах контрастной чувствительности человеческого глаза равенство яркостей нити и фона создает эффект исчезновения нити, которая перестает быть видимой быть видимой. Соответствующее этому равенству яркостей напряжение на зажимах лампы отсчитывается по включенному в цепь измерительному прибору, шкала которого проградуирована в градусах Цельсия.

Пирометры ОППИР-017 и «Проминь» применяются для измерения температуры от 800 до 30000С и от 800 до 50000С соответственно. Пределы допускаемой основной погрешности составляют ±1,5% от верхнего предела измерения.

В оптических пирометрах ОППИР-017 и «Проминь» чувствительным элементом является глаз человека, из-за чего, во первых, исключается возможность автоматической записи температуры и применения пирометров в системах автоматического регулирования; во-вторых, измерения температуры отличаются известной субъективностью. Этих недостатков лишены фотоэлектрические пирометры, в которых в качестве приемника излучения (чувствительного элемента) используют фотоэлемент или фотосопротивление.

Здесь изображение источника излучения (нагретого тела) с помощью объектива и диафрагмы создается в плоскости отверстия. Через отверстие в диафрагме на фотоэлемент направляется световой поток от эталонной лампы накаливания, через которую протекает ток выходного каскада электронного усилителя. Перед фотоэлементом установлена вибрирующая заслонка модулятора света. С помощью заслонки и модулятора света световые потоки, падающие через красный светофильтр на катод фотоэлемента от эталонной лампы и объекта, модулируются (изменяются) с частотой 50 Гц в противофазе по синусоидальному закону. При неравенстве этих световых потоков в цепи фотоэлемента потечет фототок, переменная составляющая которого пропорциональна разности освещенностей катода фотоэлемента обоими источниками. Таким образом, на усилитель подается переменное напряжение, амплитуда и фаза которого зависят от разности двух световых потоков. Усиленный по мощности электронным усилителем сигнал подается на эталонную лампу. При этом ток накала лампы будет меняться до тех пор, пока на катоде фотоэлемента не уравняются световые потоки от источника излучения и лампы, а переменная составляющая фототока не станет равной нулю. Следовательно, сила тока накала лампы однозначно связана с яркостной температурой визируемого тела. Последовательно в цепь эталонной лампы включен калиброванный резистор, падение напряжения на котором пропорционально току лампы и, следовательно, измеряемой температуре излучателя. Это падение напряжения измеряется быстродействующим автоматическим потенциометром БАП, позволяющим производить отсчет яркостной температуры, выраженной в градусах Цельсия. Фотоэлектрические пирометры типа ФЭП-4 применяются для измерения температуры от 500 до 40000С. Пределы допускаемой основной погрешности фотоэлектрических пирометров с диапазоном измерения от 600 до 20000С составляют ±1% от верхнего предела измерения. Для приборов с двумя шкалами ±20°С для диапазона измерения 1200 - 20000С и ±1,5 % от верхнего предела измерения для тел, нагретых выше 20000С.