Високопродуктивна економічна і безпечна робота технологічних агрегатів металургійної

Міністерство загальної та професійної освіти Російської Федерації

Новокузнецький філія - Інститут Кемеровського Державного Університету

Кафедра технічної кібернетики

Факультет інформаційних технологій

Курсова робота

По курсу "Метрологія та вимірювання"

Виконав:

студент III курсу ФІТ

групи ІАС 98-1

Батенев А. А.

Вступ 3

Поняття про температуру і про температурні шкалах 4

Пристрої для вимірювання температур 5

1. Методи і технічні засоби вимірювання температури 7

1.1 Термометри розширення і термометри манометричні 7

Рідинні скляні термометри 7

Манометричні термометри 9

1.2. Термоелектричні термометри 11

Пристрій термоелектричних термометрів 12

Стандартні і нестандартні термоелектричні термометри 13

Повірка технічних ТТ 14

1.3. Електричні термометри опору 15

Типи і конструкції ТЗ 16

Мостові схеми вимірювання опору термометрів 17

Урівноважений міст 17

Неврівноважений міст 18

Автоматичні урівноважені мости 18

1.4. Вимірювання термо-ЕРС компенсаційним від 20

1.5. Автоматичні потенціометри 20

1.6. Безконтактне вимірювання температури 22

Основні поняття і закони випромінювання 22

Пірометри часткового випромінювання 23

Оптичні пірометри 23

Фотоелектричні пірометри 24

Пірометри спектрального відношення 26

Пірометри сумарного випромінювання 27

2. Розрахункове завдання 31

2.1. Розрахунок вимірювальної схеми автоматичного урівноваженого моста 31

2.2. Розрахунок опорів вимірювальної схеми автоматичного потенціометра 32

Висновок 35

Список літератури 36

Введення

Високопродуктивна, економічна і безпечна робота технологічних агрегатів металургійної промисловості вимагає застосування сучасних методів і засобів вимірювання величин, що характеризують хід виробничого процесу і стан обладнання. Автоматичний контроль є логічно першим ступенем автоматизації, без успішного функціонування яких неможливе створення ефективних АСУ ТП.

В історії розвитку світової техніки можна виділити три основні напрями: створення машин-двигунів (водяних, вітряних, парових, внутрішнього згоряння, електричних), які звільнили людину від важкої фізичної праці, створення машин-знарядь, тобто верстатів і технологічного обладнання різного призначення; створення пристроїв для контролю і управління машинами-двигунами, машинами-знаряддями і технологічними процесами.

У сучасної техніки для вирішення завдань автоматичного контролю дедалі ширше застосовують напівпровідники, лазери, радіоактивні матеріали, ЕОМ. Металургійна промисловість є однією з основних галузей народного господарства, в ній зайнята велика кількість працівників, обслуговуючих могутні і складні агрегати. За високої продуктивності навіть самі невеликі помилки управління агрегатом призводять до великих абсолютним втрат металу, палива, електроенергії. За цим зростає роль автоматичного контролю та управління виробничими процесами. Всі основні металургійні агрегати (доменні й мартенівські печі, прокатні стани) оснащені різними системами автоматичного контролю та управління і в значній мірі механізованими.

Основними параметрами (величинами), які необхідно контролювати при роботі металургійних агрегатів, є температура різних середовищ; витрата, тиск, склад газів і рідин; складу металів; геометричні розміри прокату. Автоматичними приладами вимірюється температура: у робочих просторах металургійних печей, виплавленого і нагрівається металу, елементів вогнетривкої кладки, конструкції регенераторів і рекуператорів, а так само продуктів згоряння палива.

Поняття про температуру і про температурні шкалах

Температурою називають величину, що характеризує тепловий стан тіла. Згідно кінетичної теорії температуру визначають як міру кінетичної енергії поступального руху молекул. Звідси температурою називають умовну статистичну величину, прямо пропорційну середньої кінетичної енергії молекул тіла.

Всі пропоновані температурні шкали будувалися (за рідкісним винятком) однаковим шляхом: двом (щонайменше) постійним точкам присвоювалися певні числові значення і передбачалося, що видиме термометричні властивості використовуваного в термометрі речовини лінійно пов'язане з температурою t:

,

де k - коефіцієнт пропорційності; E - термометричні властивості; D - постійна.

Беручи для двох постійних точок певні значення температур, можна обчислити постійні k, D і на цій основі побудувати температурну шкалу. При зміні температури коефіцієнт k змінюється, при чому різному для різних термометричних речовин. Тому термометри, побудовані на базі різних термометричних речовин з рівномірною градусною шкалою, давали при температурах, що відрізняються від температур постійних точок, різні свідчення. Останні ставали особливо помітними при високих (багато великих температури кипіння води) і дуже низьких температурах.

Термодинамічна шкала тотожна шкалою ідеального газу, побудованої на залежності тиску ідеального газу від температури. Закони зміни тиску від температури для реальних газів відхиляються від ідеальних, але поправки на відхилення реальних газів невеликі і можуть бути встановлені з високим ступенем точності. Тому, спостерігаючи за розширенням реальних газів і вводячи поправки, можна оцінити температуру по термодинамічної шкалою.

На початку XX століття широко застосовувалися шкали Цельсія і Реомюр, а в наукових роботах - також шкали Кельвіна і воднева. Перераховування з однієї шкали на іншу створювали великі труднощі і приводили до ряду непорозумінь. Тому в 1933 році було прийнято рішення про введення Міжнародної температурної шкали (МТШ).

Досвід застосування МТШ показав необхідність внесення до нього низки уточнень і доповнень, щоб по можливості максимально наблизити її до термодинамічної шкалою. Тому МТШ була переглянута і приведена у відповідність зі станом знань того часу. У 1960 році було затверджено нове "Положення про міжнародній практичній температурній шкалі 1948 року. Редакція 1960 р.".

Пристрої для вимірювання температур

Температуру вимірюють за допомогою пристроїв, що використовують різні термометричні властивості рідин, газів і твердих тіл. Існують десятки різних пристроїв використовуються в промисловості, при наукових дослідженнях, для спеціальних цілей.

У таблиці 1 наведено найбільш поширені пристрої для вимірювання температури та практичні межі їх застосування.

Таблиця 1

1. Методи і технічні засоби
вимірювання температури

1.1 Термометри розширення і термометри манометричні

Рідинні скляні термометри

Найстаріші пристрої для вимірювання температури - рідинні скляні термометри - використовують термометричні властивості теплового розширення тіл. Дія термометрів грунтується на відмінності коефіцієнтів теплового розширення термометричної речовини і оболонки, в якій вона перебуває (термометричної скла або рідше кварцу).

Рідинний термометр складається з скляних балона 1, капілярної трубки 3 і запасного резервуара 4 (рис. 1). Термометричні речовина 2 заповнює балон і частково капілярну трубку. Вільний простір в капілярній трубці і в запасному резервуарі заповнюється інертним газом або може перебувати під вакуумом. Запасний резервуар або виступає за верхнім поділом шкали частина капілярної трубки служить для запобігання термометра про псування при надмірному перегріві.

Як термометричної речовини найчастіше застосовують хімічно чистий ртуть. Вона не змочує скла і залишається рідкою у широкому інтервалі температур. Крім ртуті в якості термометричної речовини в скляних термометрах застосовуються і інші рідини, переважно органічного походження. Наприклад: метиловий і етиловий спирт, гас, пентан, толуол, галій, амальгама талія.

Основні переваги скляних рідинних термометрів - простота вживання і досить висока точність вимірювання навіть для термометрів серійного виготовлення. До недоліків скляних термометрів можна віднести: погану видимість шкали (якщо не застосовувати спеціальної збільшувальною оптики) і неможливість автоматичного запису показань, передачі показань на відстань і ремонту.

Скляні рідинні термометри мають досить широке застосування і випускаються наступних основних різновидів:

технічні ртутні, з вкладеною шкалою, з занурюваної у вимірюване середовище нижньою частиною, прямі і кутові;

лабораторні ртутні, кийові або з вкладеною шкалою, що занурюються у вимірюване середовище до відлічуваний температурної позначки, прямі, невеликого зовнішнього діаметра;

рідинні термометри (не ртутні);

підвищеної точності і зразкові ртутні термометри;

електроконтактні ртутні термометри з вкладеною шкалою, з упаяними в капілярну трубку контактами для розривання (або замикання) стовпчиком ртуті електричного кола;

спеціальні термометри, в тому числі максимальні (медичні та інші), мінімальні, метеорологічні та іншого призначення.

У лабораторних та інших термометрів, градуйованих і призначених для вимірювання при зануренні у вимірюване середовище до відлічуваного поділу, можуть виникати систематичні похибки за рахунок виступаючого стовпчика термометра. Якщо капілярна трубка буде занурена у вимірюване середовище не повністю, то температура виступаючої частини капілярної трубки буде відрізнятися від температури вимірюваного середовища, в результаті виникне похибка вимірювання. Поправку в градусах на виступаючий стовпчик в показання термометра можна внести за рівнянням:

(1)

де - коефіцієнт видимого об'ємного теплового розширення термометрической рідини в склі, t - дійсна температура вимірюваного середовища 0C, tв.с. - Температура виступаючого стовпчика, виміряна за допомогою допоміжного термометра 0С, n - число градусів у виступаючому стовпчику.

У термометрів, призначених для роботи з неповним зануренням, може виникнути аналогічна систематична похибка, якщо температура навколишнього середовища, а отже, і виступає стовпчика будуть відрізнятися від його температури при градуюванні. Поправка, в цьому випадку

(2)

де - температура виступаючого стовпчика при градуюванні 0C (у першому наближенні припустимо вважати), - Середня температура виступаючого стовпчика 0С.

Поправки з (1) і (2) можуть мати великі значення у термометрів з органічними термометричні рідинами, для яких коефіцієнт приблизно на порядок вище, ніж у ртутних термометрів.

Манометричні термометри

Дія манометричних термометрів засноване на використанні залежності тиску речовини при постійному об'ємі від температури. Замкнута вимірювальна система манометричного термометра складається з (рис. 2) з чутливого елемента, що сприймає температуру вимірюваного середовища, - металевого термобаллона 1, робочого елементу манометра 2, що вимірює тиск у системі, довгого з'єднувального металевого капіляра 3. При зміні температури вимірюваного середовища тиск у системі змінюється, в результаті чого чутливий елемент переміщує стрілку або перо за шкалою манометра, отградуированной в градусах температури. Манометричні термометри часто використовують в системах автоматичного регулювання температури, як безшкальний пристрою інформації (датчики).

Манометричні термометри поділяють на три основні різновиди:

рідинні, в яких вся вимірювальна система (термобаллон, манометр і з'єднувальний капіляр) заповнені рідиною;

конденсаційні, в яких термобаллон заповнений частково рідиною з низькою температурою кипіння і частково - її насиченими парами, а з'єднувальний капіляр і манометр - насиченими парами рідини або, частіше, спеціальної передавальної рідиною;

газові, в яких вся вимірювальна система заповнена інертним газом.

Достоїнствами манометричних термометрів є порівняльна простота конструкції і застосування, можливість дистанційного вимірювання температури і можливість автоматичного запису свідчень. До недоліків манометричних термометрів відносяться: відносно невисока точність вимірювання (клас точності 1.6; 2.5; 4.0 і рідше 1.0); невелику відстань дистанційної передачі показань (не більше 60 метрів) і труднощі ремонту при розгерметизації вимірювальної системи.

Манометричні термометри не мають великого застосування на теплових електричних станціях. У промисловій теплоенергетиці вони зустрічаються частіше, особливо у випадках, коли за умовами вибухо - або пожежобезпеки не можна використовувати електричні методи дистанційного вимірювання температури.

Повірка показань манометричних термометрів виробляється тими ж методами і засобами, що і скляних рідинних.

1.2. Термоелектричні термометри

Для вимірювання температури в металургії найбільш широкого поширення набули термоелектричні термометри, що працюють в інтервалі температур від -200 до +2500 0C і вище. Даний тип пристроїв характеризує висока точність і надійність, можливість використання в системах автоматичного контролю та регулювання параметра, в значній мірі визначає хід технологічного процесу в металургійних агрегатах.

Сутність термоелектричного методу полягає у виникненні ЕРС в провіднику, кінці якого мають різну температуру. Для того, щоб виміряти виникла ЕРС, її порівнюють з ЕРС іншого провідника, що утворює з першим термоелектричну пару AB (рис. 3), в ланцюзі якої потече струм.

Результуюча термо-ЕРС ланцюга, що складається з двох різних провідників A і B (однорідних по довжині), дорівнює

або

(1)

де і - Різниці потенціалів провідників A і B відповідно при температурах t2 і t1, мВ.

Термо-ЕРС даної пари залежить тільки від температури t1 і t2 і не залежить від розмірів термоелектродов (довжини, діаметру), величин теплопровідності і питомої електроопору.

Для збільшення чутливості термоелектричного методу вимірювання температури в ряді випадків застосовують термобатареї: кілька послідовно включених термопар, робочі кінці яких знаходяться при температурі t2, вільні при відомою і постійній температурі t1.

Пристрій термоелектричних термометрів

Термоелектричний термометр (ТТ) - це вимірювальний перетворювач, чутливий елемент якого (термопара) розташований в спеціальній захисній арматурі, що забезпечує захист термоелектродов від механічних пошкоджень і дії вимірюваного середовища. На (рис. 4) показана конструкція технічного ТТ. Арматура включає захисний чохол 1, гладкий або з нерухомим штуцером 2, і голівку 3, всередині якої розташоване контактний пристрій 4 із затискачами для з'єднання термоелектродов 5 із проводами, що йдуть від вимірювального приладу до термометра. Термоелектродах по всій довжині ізольовані один від одного і від захисної арматури керамічними трубками (намистом) 6.

Захисні чохли виконуються з газонепроникних матеріалів, що витримують високі температури і агресивне вплив середовища. При температурах до 10000С застосовують металеві чохли з вуглецевої або нержавіючої сталі, при більш високих температурах - керамічні: порцелянові, карбофраксовие, алундові, з дибориду цирконію і т. п.

Як термоелектродов використовується дріт діаметром 0.5 мм (благородні метали) і до 3 мм (неблагородні метали). Спай на робочому кінці 7 термопари утворюється зварюванням, паянням або скручуванням. Останній спосіб використовується для вольфрам-ренієві і вольфрам-молібденових термопар.

Термоелектричні термометри випускаються двох типів: із зануренням, поверхневі. Промисловість виготовляє пристрої різних модифікацій, які відрізняються за призначенням та умовами експлуатації, за матеріалом захисного чохла, за способом установки термометра в точці виміру, по герметичності і захищеності від дії вимірюваного середовища, по стійкості до механічних впливів, за ступенем теплової інерційності і т. п.

Стандартні і нестандартні термоелектричні термометри

Для вимірювання в металургії найбільш широко застосовуються ТТ із стандартною градуювання: платинородій-платинові (ТПП), платинородій-платинородієві (ТПР), хромель-алюмелеві (ТХА), хромель-капелевие (ТХК), вольфрамреній-вольфрамреніевие (ТВР). У ряді випадків використовують також ТТ з нестандартною градуювання: мідь-константанові, вольфрам-молібденові (ТВР) і ін На (рис. 5) наведено градуювальні криві ряду термопар.

В умовах тривалої експлуатації при високих температурах і агресивному впливі середовищ з'являється нестабільність градуювальної характеристики, яка є наслідком низки причин: забруднення матеріалів термоелектродов домішками з захисних чохлів, керамічних ізоляторів і атмосфери печі; випаровування одного з компонентів сплаву; взаємної дифузії через спай. Величина відхилення може бути значною і різко збільшується із зростанням температури і тривалістю експлуатації. Зазначені обставини необхідно враховувати при оцінці точності вимірювання температури в виробничих умовах.

Повірка технічних ТТ

Повірка ТТ зводиться до визначення температурної залежності термо-ЕРС та порівнянні отриманої градуювання зі стандартними значеннями.

Градуювання проводиться двома методами: по постійним точкам або звірень.

Градуювання за постійним (реперних) точок є найбільш точною і застосовується для зразкових термопар. Вивірений термопару поміщають в тигель з металом високої чистоти, встановленої в печі, і реєструють майданчик на кривій зміни термо-ЕРС у міру підвищення або зниження температури металу. Дана майданчик відповідає температурі плавлення або кристалізації металу, причому більш переважно вести градуювання по точці кристалізації. В якості реперних металів використовують золото, паладій, платину та ін

Методом звірення проводиться градуювання зразкових термопар другого розряду і технічних ТТ. Він полягає у безпосередньому вимірі термо-ЕРС градуювальної термопари при постійній температурі вільних кінців t0 = 0 0C і різних температурах t2 робочого спаю, причому остання визначається за допомогою зразкового термометра (термопари, пірометра випромінювання). На (рис. 6) наведена схема установки для градуювання ТТ методом звірення з зразковою термопарою. Металевий блок служить для забезпечення рівності температур робочих спаїв зразковою і повіряється термопар. Вимірювання термо-ЕРС виробляють за допомогою переносного потенціометра з точністю вимірювання (відліку) не гірше 0.1 мВ. Відлік проводиться після 10 хвилин витримки при даній температурі.

1.3. Електричні термометри опору

У металургійній практиці для вимірювання температур до 6500С застосовуються термометри опору (ТС), принцип дії яких заснований на використанні залежності електричного опору речовини від температури. Знаючи цю залежність, зі зміни величини опору термометра судять про температуру середовища, в яку він занурений. Вихідним параметром пристрою є електрична величина, яка може бути виміряна з досить високою точністю (до 0.020С), передана на великі відстані і безпосередньо використана в системах автоматичного контролю і регулювання.

Як матеріали для виготовлення чутливих елементів ТС використовуються чисті метали: платина, мідь, нікель, залізо і напівпровідники.

Зміна електроопору даного матеріалу при зміні температури характеризується температурним коефіцієнтом опору, який обчислюється за формулою

, (1)

де t - температура матеріалу, 0С;

R0 і Rt - електроопір відповідно при 0 0С та температурі t, Ом.

Опір напівпровідників із збільшенням температури різко зменшується, тобто вони мають негативний температурний коефіцієнт опору практично на порядок більше, ніж у металів. Напівпровідникові термометри опору (ТСПП) в основному застосовуються для вимірювання низьких температур (1.5 ¸ 400 К).

Достоїнствами ТСПП є невеликі габарити, мала інерційність, високий коефіцієнт. Однак вони мають і суттєві недоліки:

нелінійний характер залежності опору від температури;

відсутність відтворюваності складу та градуювальної характеристики, що виключає взаємозамінність окремих ТЗ даного типу. Це призводить до випуску ТСПП з індивідуальною градуировкой.

Типи і конструкції ТЗ

Для вирішення різних завдань ТЗ діляться на еталонні, зразкові і робочі, які в свою чергу поділяються на лабораторні та технічні.

Еталонні ТС призначені для відтворення та передачі шкали МПТШ в інтервалі 13.81 ¸ 903.89 К.

Технічні ТЗ в залежності від призначення і конструкції діляться на: зануренням, поверхневі і кімнатні; захищені і не захищені від дії агресивного середовища; стаціонарні і переносні; термометри 1-го, 2-го і 3-го класів точності і т. д. На (рис. 7) представлені конструкції промислових ТЗ з нерухомим (а) і рухомим (б) штуцерами. Термометр складається з чутливого елемента 1, розташованого в захисному сталевому чохлі 3, на якому приварений штуцер 2 з різьбленням М27х2. Провід 4, армовані фарфоровими бусами 6, з'єднують висновки чутливого елемента з клемної колодкою 5, що знаходиться в корпусі головки 7. Зверху головка закрита кришкою 8, знизу є Сальникова введення 9, через який здійснюється підведення монтажного кабелю 10. При вимірі температури середовищ з високим тиском на чохол ТЗ встановлюється спеціальна захисна (монтажна) гільза 12.

Чутливий елемент ТЗ виконаний з металевої тонкої дроту з безиндукціонной каркасною або безкаркасних намотуванням.

Значно рідше в металургійній практиці зустрічаються напівпровідникові термометри опору (ТСПП) для вимірювання температури (-90) ¸ (+180) 0С. Їх застосовують у термореле, низькотемпературних регуляторах, що забезпечують високоточну стабілізацію чутливих елементів газоаналізаторів, хроматографів, корпусів пірометрів, електродів термоелектричних установок для експрес-аналізу складу металу і т. п.

Мостові схеми вимірювання опору термометрів

Для вимірювання опору використовують четирехплечіе врівноважені (ручні або автоматичні) і неврівноважені мости.

Урівноважений міст

Урівноважений міст, принципова схема якого наведена на (рис. 8а), використовується для визначення величини опору при градуюванні ТЗ і при вимірах температури в лабораторних умовах.

Нульовий метод вимірювання характеризується високою точністю, оскільки виключається вплив навколишнього температури, магнітних полів і зміни напруги батареї живлення Б. Однак значна похибка може виникати при зміні опору з'єднувальних проводів Rл, що викликається значними сезонними і добовими коливаннями температури в місцях проходження кабелю, що з'єднує ТЗ і вимірювальний міст.

На (рис. 8б) представлена ​​трьохпровідна схема включення ТС, в якій одна вершина діагоналі живлення (В) перенесена безпосередньо до термометра. Для рівноваги можна записати

,

звідки

(2)

Опір проводів Rл виявляються включеними в різні плечі моста, тому зміна їх величини DRл практично взаємно компенсуються.

Неврівноважений міст

Неврівноважений міст виключає необхідність виконання ручних операцій зі зміни величини R3. У ньому замість нуль-приладу G в діагональ мосту AC встановлюється міліамперметр. При постійній напрузі харчування і постійних опорах R1, R2, R3 через цей прилад протікає струм, величина якого залежить (нелінійно) від зміни RТ. Використання даних мостів для вимірювання температури обмежено. В основному вони застосовуються для перетворення опору термометра в напругу.

Автоматичні урівноважені мости

Автоматичні урівноважені мости широко використовуються для вимірювання і реєстрації температури в комплекті з ТЗ. Їх характеризує висока точність і можливість використання в системах автоматичного регулювання. Вони випускаються різних модифікацій: одно-і багатоточкові, з дисковою або стрічковою діаграмою, з сигнальними пристроями і ін

На (рис. 9) наведена принципова схема автоматичного урівноваженого моста, який, так само як ручний рівноважний міст, реалізує нульовий метод вимірювання опору.

Термометр опору Rt підключений до приладу по трипровідному схемою. У вимірювальну схему моста входять врівноважує реохордів Rр з шунтувальним його резистором Rш (обмежує струм, поточний по реохордів); резистори Rн і Rк, визначають початок і кінець шкали; спіралі rн і rк, що забезпечують точну підгонку діапазону шкали і є частиною резисторів Rн і Rк ; резистори R1, R2 і R3, що утворюють постійні плечі моста; TC Rt, що є змінним плечем; баластний резистор Rб, який обмежує струм в мостовій схемі і забезпечує мінімальний нагрів ТЗ; підгінну резистори Rп1 і Rп2, що забезпечують опір лінії підведення Rл = 5 Ом (кожен з двох з'єднувальних проводів має опір 2.5 Ом).

Електронний підсилювач змінного струму ЕУ включений у діагональ ab і забезпечує посилення розбалансу, що виникає у вимірювальній схемі при зміні опору ТЗ Rt. Посилений сигнал надходить на вхід реверсивного двигуна РД, який обертанням валу змушує переміщатися рухливу каретку реєструючого пристрою е і движок реохорда Rр. Обертання валу відбувається до тих пір, поки не наступить нова рівновага схеми; напруга розбалансу стане рівним 0, сигнал на вході РД також зникне і двигун зупиниться.

Харчування вимірювальної схеми моста здійснюється через діагональ d за допомогою силового трансформатора ЕУ змінним струмом напругою 6.3 В і частотою 50 Гц. Синхронний двигун СД переміщає діаграмних паперів щодо пера або друкувального пристрою з постійною швидкістю.

1.4. Вимірювання термо-ЕРС компенсаційним шляхом

Вимірювання термо-ЕРС термопари прямим шляхом, за силою струму в ланцюзі постійного опору, за допомогою мілівольтметра, можна здійснити порівняльно просто. Однак цей метод має низку недоліків, що створюють додаткові похибки, що в більшості випадків не дозволяє отримати високу точність вимірювання.

У вимірювальній техніці крім прямих методів вимірювання відомі компенсаційні методу або методи протиставлення (порівняння) невідомої величини величиною відомою. Компенсаційні методи дозволяють провести вимірювання більш точно, хоча і не завжди так просто, як пряме вимірювання.

Основна перевага компенсаційного вимірювання термо-ЕРС, в порівнянні з прямим, за допомогою мілівольтметра, полягає в тому, що у момент вимірювання струм в ланцюзі термопари дорівнює 0. Це означає, що величина опору зовнішнього кола не має значення: ніякої підгонки опору зовнішнього ланцюга робити не треба і турбуватися про вплив температури навколишнього середовища на зовнішню ланцюг немає необхідності.

1.5. Автоматичні потенціометри

Автоматичні потенціометри служать для компенсаційних вимірювань термо-ЕРС без ручних маніпуляцій, властивих неавтоматичним потенціометрів. В останніх ручні маніпуляції після стандартизації струму зводяться до наступного необхідності переміщати движок реохорда до тих пір, поки стрілка гальванометра не встане на нуль. При цьому переміщення движка проводиться в цілком певному напрямі.

Вимірювальна схема автоматичного потенціометра в принципі не відрізняється від схеми не автоматичного потенціометра (рис. 10).

Схема має три джерела напруги (батарея Б, нормальний елемент НЕ і термопару Т) і три ланцюги. Ланцюг батареї виконана у вигляді моста: в діагональ BD включається харчування, а в діагональ CA - ланцюг термопари. Ланцюг нормального елементу підключається до плеча CD компенсаційної ланцюга. За допомогою перемикача П в ланцюг термопари або в ланцюг нормального елементу включається електронний підсилювач ЕУ (в тому числі і вібраційний перетворювач). При включенні ланцюга нормального елемента вводиться шунтуючі опір R1, паралельне електронному підсилювачу, оскільки в цьому випадку величина напруги небалансу буває багато більше, ніж при включенні ланцюга термопари.

Електронні автоматичні потенціометри називають іноді приладами з безперервною балансуванням, так як вимірювання небалансу проводиться тут з частотою змінного струму 50 Гц.

Широке застосування мають багатоточкові автоматичні потенціометри з самопишущим пристроєм, призначеним для запису показань кількох термопар. Такі потенціометри мають автоматично діючі перемикачі для почергового включення у вимірювальну ланцюг ланцюгів окремих термопар. Запис проводиться яким різним кольором, або певними знаками для кожної термопари.

Повірка потенціометрів проводиться шляхом порівняння їх показань з показаннями зразкових потенціометрів більш високого класу точності. Похибка зразкового потенціометра не повинна перевищувати 1 / 3 К, де К - чисельне вираження класу точності вивіреного приладу.

1.6. Безконтактне вимірювання температури

Основні поняття і закони випромінювання

Про температуру нагрітого тіла можна судити на підставі вимірювання параметрів його теплового випромінювання, що представляє собою електромагнітні хвилі різної довжини. Чим вище температура тіла, тим більше енергії воно випромінює.

Термометри, дія яких заснована на вимірюванні теплового випромінювання, називають пірометра. Вони дозволяють контролювати температуру від 100 до 6000 0С і вище. Одним з головних достоїнств даних пристроїв є відсутність впливу вимірювача на температурне поле нагрітого тіла, так як в процесі вимірювання вони не вступають в безпосередній контакт один з одним. Тому ці методи отримали назву безконтактних.

На підставі законів випромінювання розроблені пірометри наступних типів:

пірометр сумарного випромінювання (ПСІ) - вимірюється повна енергія випромінювання;

пірометр часткового випромінювання (ПЧІ) - вимірюється енергія в обмеженому фільтром (або приймачем) ділянки спектра;

пірометри спектрального відношення (ПСО) - вимірюється відношення енергії фіксованих ділянок спектра.

Залежно від типу пірометра розрізняються радіаційна, яркостная, колірна температури.

Радіаційного температурою реального тіла Тр називають температуру, при якій повна потужність АЧТ дорівнює повній енергії випромінювання даного тіла при дійсній температурі Тд.

Яркостной температурою реального тіла Тебе називають температуру, при якій щільність потоку спектрального випромінювання АЧТ дорівнює щільності потоку спектрального випромінювання реального тіла для тієї ж довжини хвилі (або вузького інтервалу спектру) при дійсній температурі Тд.

Колірною температурою реального тіла Тц називають температуру, при якій відносини щільностей потоків випромінювання АЧТ для двох довжин хвиль і дорівнює відношенню густини потоків випромінювань реального тіла для тих же довжин хвиль при дійсній температурі Тд.

Пірометри часткового випромінювання

До даного типу пірометрів, що вимірюють температуру яркостную об'єкта, відносяться монохроматичні оптичні пірометри і фотоелектричні пірометри, що вимірюють енергію потоку у вузькому діапазоні довжин хвиль.

Оптичні пірометри

Принцип дії оптичних пірометрів грунтується на використанні залежності щільності потоку монохроматичного випромінювання від температури. На (рис. 11) представлена ​​схема оптичного пірометра з "зникаючої" ниткою, принцип дії якого базується на порівнянні яскравості об'єкта вимірювання та градуйованого джерела випромінювання в певній довжині хвилі.

Зображення випромінювача 1 лінзою 2 і діафрагмою 4 об'єктива пірометра фокусується в площині нитки розжарювання лампи 5. Оператор через діафрагму 6 лінзу 8 окуляра і червоний світлофільтр 7 на тлі розпеченого тіла бачить нитка лампи. Переміщуючи движок реостата 11, оператор змінює силу струму, що проходить через лампу, і домагається зрівнювання яскравості нитки і яскравості випромінювача. Якщо яскравість нитки менше яскравості тіла, то вона на його фоні виглядає чорною смужкою, при більшій температурі нитки вона буде виглядати, як світла дуга на більш темному тлі. При рівності яскравості випромінювача і нитки остання "зникає" з співаючи зору оператора. Цей момент свідчить про рівність яскравості температур об'єкта вимірювання та нитки лампи. Харчування лампи здійснюється за допомогою батареї 10. Прилад 9, що фіксує силу струму, що протікає в вимірювальної ланцюга, заздалегідь переписати в значеннях залежності між силою струму і яркостной температурою АЧТ, що дозволяє робити зчитування результату в 0С.

Даний тип пірометрів дозволяє вимірювати температуру від 700 до

8000 0С. Для оптичних пірометрів промислового застосування в інтервалі температур 1200 ¸ 2000 0С основна допустима похибка вимірювання становить ± 20 0С. На точність вимірювання впливають невизначеність і змінність спектральної ступеня чорноти, можлива зміна інтенсивності випромінювання за рахунок послаблення в проміжній середовищі, а так само за рахунок відображення сторонніх променів.

Фотоелектричні пірометри

Фотоелектричні пірометри часткового випромінювання забезпечують безперервне автоматичне вимірювання та реєстрацію температури. Їх принцип дії заснований на використанні залежності інтенсивності випромінювання від температури у вузькому інтервалі довжин хвиль спектра. Як приймачі в даних пристроях використовуються фотодіоди, фотосопротивлений, фотоелементи і фотопомножувача.

Фотоелектричні пірометри часткового випромінювання діляться на дві групи:

пірометри, в яких мірою температури об'єкта є безпосередньо величина фотоструму приймача випромінювання;

пірометри, які містять стабільне джерело випромінювання, при чому фотоприймач служить лише індикатором рівності яркостей даного джерела та об'єкта.

На (рис. 12) наведена схема фотоелектричного пірометра, що відноситься до другої групи пірометрів. У ньому в якості приймача випромінювання застосовується фотоелемент. Потік від випромінювача 1 лінзою 2 і діафрагмою 3 об'єктива фокусується на отворі 7 в утримувачі світлофільтру 5 за таким чином, щоб зображення візуються ділянки поверхні випромінювача перекривало даний отвір. У цьому випадку величина світлового потоку, що падає на катод фотоелемента 6, розташованого за світлофільтром, визначається яскравістю випромінювача, тобто його температурою. У тримачі світлофільтру розташовано ще один отвір 8, через яке на фотоелемент потрапляє потік від лампи зворотного зв'язку 17. Світлові потоки від випромінювача 1 і лампи 17 подаються на катод поперемінно з частотою 50 Гц, що забезпечується за допомогою вібруючої заслінки 9. Зворотно-поступальний рух заслінки забезпечується за допомогою котушки збудження 10 і постійного магніту 12. У вібраторі відбувається перемагнічування сталевого якоря 11, який з частотою 50 Гц по черзі притягається полюсами магніту 12 і переміщує заслінку 9.

При розходженні світлових потоків випромінювача 1 і лампи 17 в струмі фотоелемента з'явиться змінна складова, що має частоту 50 Гц і амплітудою, пропорційну різниці даних потоків. Підсилювач 13 забезпечує посилення змінної складової, а фазовий детектор 14 подальше її випрямлення. Отриманий вихідний сигнал подається на лампу, що викликає зміну сили струму розжарювання. Це відбуватиметься до тих пір, поки на катоді фотоелемента світлові потоки від двох джерел не зрівняються. Отже, струм лампи зворотного зв'язку однозначно пов'язаний з яркостной температурою об'єкта вимірювання.

У ланцюг лампи 17 включено калібрований опір 16, падіння напруги на якому пропорційно силі струму і вимірюється швидкодіючим потенціометром 15, забезпеченим температурною шкалою. Окуляр 4 забезпечує наводку пристрою на об'єкт вимірювання.

У фотоелектричних пірометрів з межами вимірювання від 500 до
1100 0С застосовують киснево-цезієвий фотоелемент, а в приладах зі шкалою 800 ¸ 4000 0С вакуумний сурм'яно діапазонів. Поєднання останнього з червоним світлофільтром забезпечує отримання ефективної довжини хвилі пірометра 0.65 ± 0.01 мкм, що призводить до збігу показань фотоелектричного пірометра з показаннями візуального оптичного пірометра.

Пірометри спектрального відношення

Пірометри даного типу вимірюють колірну температуру об'єкта по відношенню інтенсивностей випромінювання у двох визначених ділянках спектру, кожна з яких характеризується ефективною довжиною хвилі, .

На (рис. 13) наведена схема двоканального пірометра спектрального відношення (ПСО), в якому перетворення енергії отримання в електричні сигнали проводиться за допомогою двох кремнієвих фотодіодів. Потік випромінювання від об'єкта вимірювання 1 з допомогою оптичної системи, що складається з лінз 2, апертурной і польовий діафрагми 3, передається інтерференційний світлофільтр 4. Останній забезпечує виділення двох потоків, кожен з яких характеризується власним спектром. Дані потоки потрапляють на кремнієві фотодіоди 7, які перетворюють випромінювання в фотострум, що протікає через опір R1 і R2, включені в вимірювальну схему вторинного реєструючого приладу - логометра. Різниця падінь напруг на опорах подається на вхід підсилювача 5, вихідний сигнал якого надходить на реверсивний двигун 6, що переміщає движок реохорда R2 і стрілку відносно шкали настання балансу, відповідного вимірюваної температурі.

Інтерференційний фільтр 4 є напівпрозорим дзеркалом, що має високий коефіцієнт пропускання в одній і високий коефіцієнт відбиття в іншій області спектра. Дзеркало 8 і окуляр 9 забезпечують візуальну наводку об'єктива пірометра на об'єкт вимірювання. Для зменшення похибки від впливу навколишнього температури фільтр 4 і приймачі випромінювання 7 поміщені в термостат.

ПСО використовуються для вимірювання температур твердого і розплавленого металу в широкому інтервалі температур від 300 до 2200 0С і мають клас точності 1 і 1.5 (в залежності від границі вимірювання). Дані пірометри мають в 3-5 разів меншу методичну похибку, пов'язану зі зміною ступеня чорноти випромінювача. На їх показання значно менше впливають поглинання проміжного середовища. Однак у тих випадках, коли об'єкт характеризується селективним випромінюванням (ступінь чорноти при одній і тій же температурі різко змінюється із довжиною хвилі), похибка ПСО може бути вище похибки пірометрів випромінювання інших типів. ПСО більш складні і менш надійні, ніж інші прилади.

Пірометри сумарного випромінювання

Пірометри сумарного випромінювання вимірюють радіаційну температуру тіла, тому їх часто називають радіаційними. Принцип дії даних вимірювачів температури заснований на використанні закону
Стефана-Больцмана. Однак у випадку застосування оптичних систем в ПСИ визначення температури ведеться по щільності інтегрального випромінювання не в усьому інтервалі довжин хвиль, а значно меншому: для скла робочий спектральний діапазон становить 0.4 ¸ 2.5, а для плавленого кварцу 0.4 ¸ 4 мкм.

Датчик пірометра виконується у вигляді телескопа, лінза об'єктива якого фокусується на термочутливому приймачі випромінювання нагрітого тіла. Як термочутливого елемент використовуються термопари, термобатареї, болометри (металеві та напівпровідникові), біметалічні спіралі і т. п. Найбільш широко застосовуються термобатареї (рис. 14 а), в яких використовується 6-10 мініатюрних термопар (наприклад, хромель-Копєлєвим), з'єднаних послідовно. Потік випромінювання потрапляє на розклепаним у вигляді тонких зачерненим пелюсток робочі кінці квітня термопар 2. Вільні кінці термопар приварюються до тонких пластинках 1, закріпленим на слюдяні кільці 3. Металеві висновки 5 служать для приєднання до вимірювального приладу, в якості якого зазвичай використовують потенціометри або мілівольтметри.

Робочі кінці термопар поглинають падаючу енергію і нагріваються. Вільні кінці перебувають поза зоною потоку випромінювання і мають температуру корпусу телескопа. У результаті виникнення перепаду температур термобатарея розвиває термо-ЕРС, пропорційну температурі робочих спаїв, а отже, і температурі об'єкта вимірювання. Градуювання пірометрів проводиться при температурі корпусу 20 ± 2 0С, тому підвищення даної температури призводить до зменшення перепаду температур у термопарах приймача випромінювання і до появи значних додаткових похибок. Так, при температурі корпусу 40 0С додаткова похибка (за інших рівних умов) складе ± 4 0С. Для зниження цієї похибки пірометри забезпечуються компенсуючими пристроями: електричним шунтом або біметалічною пружиною.

На (рис. 14б) показаний пристрій телескопа ПСИ. Він включає: корпус 1 з діафрагмою 7; об'єктив, що має скляну або кварцову лінзу 2, що встановлюється у втулці 13, вгвинчується в корпус; блок термобатареї, що складається з самої термобатареї 3, корпусу 5, відростка, на який нагвинчується рухома діафрагма 6, і контактних гвинтів 10; компенсаційне мідне опір 4, шунтуючі термобатареї і забезпечує зменшення впливу вимірювань температури телескопа на показання пірометра; окуляр, що включає лінзу 8 і захисне скло 9. Фланець 1911 служить для кріплення корпусу до захисної арматури, що забезпечує роботу пірометра в важких умовах металургійного виробництва.

Отримання стандартної градуювання забезпечується переміщенням діафрагми 6, зубчастий вінець якої зчленований з зубами трубки 12.

Діафрагма, що встановлюється в телескопі, обмежує тілесний кут візування, що виключає вплив на показання розмірів випромінювача і його відстані від пірометра. При цьому на термобатареї потрапляє випромінювання тільки з певного невеликої ділянки об'єкта вимірювання. Розміри цієї ділянки визначаються за показником візування, який є відношенням найменшого діаметра випромінювача до відстані від об'єкта вимірювання до об'єктива телескопа. При цьому зображення кола, вписаного в випромінювач, повністю перекриває отвір діафрагми 6, що знаходиться перед термобатареей. Телескопи з показником візування більше 1 / 16 є ширококутними, а з показником, що дорівнює або менше 1 / 16, - вузькокутова.

Виміру атмосферного явища температури схему пірометра між телескопом та вторинним приладом (милливольтметром або потенціометром) включається панель зрівняльних та еквівалентних опорів - панель взаємозамінності телескопів типи ПУЕС. Вона забезпечує постійне навантаження телескопа при роботі з одним або двома вторинними приладами, а також заміну телескопа однієї градуювання на телескоп інший градуювання. Захист пірометра від пилу, високої температури, механічних впливів забезпечується за допомогою спеціальної захисної арматури.

Опір сполучної лінії між ПСИ та потенціометром не повинно перевищувати 200 Ом, а при роботі з милливольтметром воно дорівнює 5 Ом.

ПСИ мають меншу точність в порівнянні з іншими пірометра. Методичні похибки вимірювання температури при використанні ПСИ виникають внаслідок значної помилки визначення інтегральної ступеня чорноти, через неправильну наведення телескопа на випромінювач, через вплив випромінювання кладки (вимірювання температури металу в печах) і через поглинання енергії водяними парами і вуглекислим газом, містяться в шарі повітря, що знаходиться між випромінювачем і пірометром. Внаслідок останньої причини оптимальним вважається відстань 0.8-1.3 м.

Вид матеріалу лінзи визначає інтервал вимірюваних температур і градуювальну характеристику. Скло з флюориту забезпечує можливість вимірювання низьких температур починаючи з 100 0С, кварцове скло використовується для температури 400 ¸ 1500 0С, а оптичне скло для температур 950 0С і вище.

ПСИ вимірюють температуру від 100 до 3500 0С. Основна допустима похибка технічних промислових пірометрів зростає із збільшенням верхньої межі вимірювання і для температур 1000, 2000 і
3000 0С складає відповідно ± 12; ± 20 і ± 35 0С.

2. Розрахункове завдання

2.1. Розрахунок вимірювальної схеми автоматичного урівноваженого моста

Задані:

градуювання термометра опору 23;

значення початкової і кінцевої показань температур приладу;

;;

;;

Найбільшу чутливість забезпечує попарно равноплечій міст біля якого R2 = R3 і R1 »Rт, причому опору R2 і R3 задаються в межах 100-400 Ом. Найбільш часто приймають значення 300 Ом.

;

Еквівалентний опір Rе реохорда з шунтувальним опором Rш приймають рівним 90 Ом. Опір резистора Rн приймають зазвичай рівним 4.5 Ом.

;;;

Опір плеча моста R1 визначають за формулою:

;

де

;

З умови рівноваги вимірювальної схеми моста відповідно для лівого і правого крайніх положень движка:

;

;

Вирішуючи дану систему відносно Rп отримаємо:

;

Величину опору резистора Rк, що визначає верхню межу вимірювань, визначають за формулою:

;

Максимальне значення струму Imax, що протікає через ТЗ, приймається рівним 0.007 А. Величину баластного опору розраховують за формулою:

;

где U - напруга живлення вимірювальної схеми моста, рівна 6.3 В.

2.2. Розрахунок опорів вимірювальної схеми автоматичного потенціометра

Задані:

шкала приладу 0 ¸ 1300 0С;

градуювання термоелектричного термометра ТПП;

розрахункова температура вільних кінців термометра;

можлива температура вільних кінців термометра;

початкове значення шкали;

кінцеве значення шкали;

діапазон вимірів;

нормоване номінальний опір реохорда;

неробочі ділянки реохорда ;

нормоване номінальне падіння напруги на резисторі Rк;

вихідна напруга ІПС;

номінальна сила струму в ланцюзі ІПС;

опір навантаження ІПС;

номінальна сила струму у верхній гілки вимірювальної схеми приладу;

номінальна сила струму в нижній гілки вимірювальної схеми приладу;

температурний коефіцієнт електричного опору міді;

Визначаємо за формулою:

;

Визначаємо приведений опір реохорда:

;

перевіряємо правильність визначення Rпр:

;

Визначаємо величину резистора Rк і величину баластного опору Rб:

;

;

Визначаємо значення опору мідного резистора Rм:

;

;

;

;;;

Зміна показань потенціометра для кінцевого значення шкали при зміні температури вільних кінців термоелектричного термометра від до складе:

.

Висновок

Практичний досвід побудови систем регулювання промислових об'єктів показує, що головне значення тут набуває не завдання вибору алгоритмів функціонування регуляторів, а завдання побудови оптимальної схеми отримання регулятором поточної інформації про стан об'єкта регулювання, яке відображає характер взаємодій між двома функціональними основними елементами системи регулювання - об'єктом і регулятором . Високопродуктивна, економічна і безпечна робота технологічних агрегатів металургійної промисловості вимагає застосування сучасних методів і засобів вимірювання величин, що характеризують хід виробничого процесу і стан обладнання. Температура є одним з основних параметрів, які підлягають контролю з боку систем автоматичного управління металургійними процесами. В умовах агресивних середовищ і високих температур, найбільш підходящими для використання є фотоелектричні пірометри. Вони дозволяють контролювати температуру від 100 до 6000 0С і вище. Одним з головних достоїнств даних пристроїв є відсутність впливу температурного поля нагрітого тіла на аналізатор, так як в процесі вимірювання вони не вступають в безпосередній контакт один з одним. Так само фотоелектричні пірометри забезпечують безперервне автоматичне вимірювання та реєстрацію температури, що дозволяє використовувати їх у системах автоматичного управління процесами без додаткових витрат на придбання та обслуговування пристроїв сполучення.

Список літератури

Преображенський В. П. Теплотехнічні вимірювання та прилади. М.: Енергія, 1978, - 704 с.

Чистяков С. Ф., Радун Д. В. Теплотехнічні вимірювання та прилади. М.: Вища школа, 1972, - 392 с.