Лекция 10. Средства автоматического контроля температуры

Средства автоматического контроля температуры

Температура является важнейшим параметром множества технологических и теплотехнических процессов, характеристикой кинетической энергии молекул и характеризует степень нагретости тела. Единицей измерения температуры является Кельвин (К); допускается измерять температуру в градусах Цельсия (⁰С). Диапазон измерения температур в практике весьма широк, следовательно, различны и методы измерения температуры. Самое широкое распространение получили:

1. Термометры сопротивления;

2. Термоэлектрические термометры;

3. Пирометры излучения.

Термометры сопротивления и термоэлектрические термометры применяются для контроля температуры охлаждения воды подогретых газов поступающих в горелочное устройство футеровок агрегатов жидких металлов и шлаков. Пирометры измеряют температуру внутри пространства агрегата, насадок регенераторов, жидких металла и шлака и т.д.

Принцип действия термометра сопротивления основан на способности металлов и проводников материалов изменять электрическое сопротивление с изменением температуры. Для изготовления чувствительных элементов термометров применяются медная, платиновая или никелевая проволока.

Для термометров из меди и никеля зависимость между температурой t и сопротивлением R_t в диапазоне (-200⁰C; +200⁰C) линейна:

,

где R₀ – удельное сопротивление при 0 градусов Цельсия;

α- температурный коэффициент сопротивления проволоки.

Зависимость сопротивления платиновой проволоки от температуры в диапазоне (-260⁰C; 0⁰C).

;

Диапазон (0⁰С; 660⁰С):

;

Полупроводниковые термометры сопротивления – термисторы в диапазоне –90⁰С +180⁰С имеют зависимость:

,

где А, В, С - температурные коэффициенты металлов.

Чувствительные элементы термисторов изготовляют из оксидов кобальта марганца меди и никеля.

Чувствительный элемент платинового термометра сопротивления (рис. 10.1а) представляет собой спираль 1 помещенную в 2-ух или 4-ех канальный чехол 3. К концам спирали припаиваются выводы 5 для подключения элемента к измерительному прибору. Элемент герметизируется специальной глазурью 4 и покрывается защитной оболочкой 2.

Чувствительный элемент медного термометра (рис. 10.1б) представляет собой обмотку из тонкой проволоки 1 покрытую снаружи защитной хлорвиниловой лентой 2. К концам обмотки припаяны выводы 3.

Чувствительные элементы помещаются в защитный керамический или металлический чехол и на объекте устанавливаются с помощью штуцера или другим способом.

В качестве вторичных измерительных приборов в комплекте с термометрами сопротивления используются автоматические измерительные мосты или вторичные приборы с унифицированным входным сигналом типа ДИСК – 250, КСУ, КПУ, КВУ. Если термометры сопротивления используются в комплекте с вторичными приборами, имеющими унифицированный вход, то между термометрами сопротивления и вторичным прибором включается специальный нормирующий преобразователь «сопротивление - ток», который преобразует электрическое сопротивление термометра в унифицированный токовый сигнал (0-5мА или 4-20мА). Довольно широко в комплекте с термометрами сопротивления применяются так называемые уравновешенные измерительные мосты.

В основу работы уравновешенных мостов положен нулевой метод измерений электрического сопротивления. Прибор представляет собой одинарный мост, состоящий из 2-ух постоянных резисторов, одного переменного (реохорда) и термометра сопротивления. В одну диагональ моста подается напряжение питания, во вторую - измерительную включается измерительный прибор, например милливольтметр или усилитель, если мост автоматический. Мост находится в равновесии, если произведение сопротивлений противоположных плеч равны между собой. Если мост неуравновешен, то разность потенциалов между вершинами измерительной диагонали поступает в измерительный прибор и стрелка последнего отклоняется от нулевой отметки. Перемещая ползунок реохорда, добиваются установки стрелки в нулевое положение. Таким образом, перемещение реохорда в момент равновесия моста служит мерой температуры измеренной термометром сопротивления.

В автоматических мостах в измерительную диагональ включается фазочувствительный усилитель, а ползунок реохорда снабжается приводом в виде реверсивного электродвигателя, включаемого на выход усилителя.

В термоэлектрический термометр входит термопара и вторичный измерительный прибор. Термопара представляет собой спай двух разнородных проводников 1 и 2 (рис.10.2.).

1 2

t

Рис. 10.2. Термопара

Принцип действия основан на термоэлектрическом эффекте. В замкнутой цепи двух разнородных проводников возникает электрический ток, если места соединения этих проводников (спаи) имеют разную температуру. Спай с температурой t горячий или рабочий, с температурой t0 холодный или свободный.

Термоэлектрический эффект объясняется наличием в металлах свободных электронов, число которых в единице объема различно для разных металлов.

Под действием термоэлектродвижущей силы электроны диффундируют (переходят) допустим, из проводника 1 в проводник 2. Тогда первый проводник в спаях с температурами t и to заряжается положительно, а второй отрицательно. Возникающая между проводниками термоэлектродвижущая сила – разность потенциалов, описывается следующим выражением:

,

где ‑ разность потенциалов при температуре t,

- разность потенциалов при температуре to.

На практике температуру t0 поддерживают постоянной, т.о. результирующая термоЭДС будет функцией измеряемой температуры:

Для термопар используемых в промышленности эту зависимость находят экспериментально. И, т.о. по величине термоЭДС судят об измеряемой температуре.

Термопары стандартных термоэлектрических термометров изготавливаются из проволоки чистых металлов или сплавов диаметром от 0,5 до 3,2 мм. В зависимости от материалов проволоки различают следующие термопары: хромель-алюмелевые (ТХА) с диапазоном измерения от 200 до 1000⁰С, платинородий - платиновые (ТПП) (от 20 до 1300⁰C). Платинородий –платинородиевые (ТПР) (300 – 1600⁰C) и вольфрам- рениевые (10 – 2500⁰C) При кратковременных измерениях предел верхний предел температур увеличивается.

В комплекте с термопарами в качестве вторичных приборов применяются автоматические потенциометры, милливольтметры, а также приборы с унифицированным входным сигналом.

Для определения температуры жидких металлов и шлаков применяют термопары кратковременного и длительного погружения. Термопары кратковременного погружения состоят из стальной трубы, через которую протянуты армированные керамическими изоляторами термоэлектроды. Термоэлектроды по мере расхода сматываются с бухты. Рабочий спай термопары размещен в кварцевом наконечнике, расположенном в графитовом блоке и покрытом огнеупорной обмазкой. Наконечник рассчитан на одно погружение (20 – 40 с).

Существуют конструкции термопар со сменной измерительной головкой. Такие термопары состоят из стальной трубки с защитным чехлом из прессованного картона. В чехле расположена измерительная головка с термопарой в кварцевой трубке. Свободный спай термопары подключается к измерительному прибору с помощью разъемного контактного устройства. Сверху измерительная головка защищена металлическим колпачком, который после погружения в металл растворяется.

Термопары длительного погружения отличаются тем, сто термоэлектроды помещаются в защитную водоохлаждаемую фурму, которая вводится в жидкий металл через горловину конвертера на время от нескольких минут до нескольких часов. Рабочий спай этих термопар защищается наружным наконечником и алунда с засыпкой между ними порошка оксида аллюминия. В качестве термоэлектродов в термопарах используется платинородиевая или вольфпамрениевая проволока.

Пирометры относятся к бесконтактным датчикам температуры. В основу их работы положен принцип использования теплового и светового излучения нагретых тел.

Лучистая энергия выделяется нагретым телом в виде волн различной длины. До 500⁰С нагретое тело излучает энергию инфракрасного спектра не воспринимаемую человеческим глазом. По мере повышения температуры тело излучает энергию всех воспринимаемых глазом длин. Одновременно с повышением температуры возрастает интенсивность монохроматического излучения (яркость), т.е. излучение при определенной длине волны, а также увеличивается суммарное, т.е. световое и тепловое излучение. Монохроматическое излучение используется в пирометрах частичного излучения, суммарное – в пирометрах полного излучения.

Интенсивность монохроматического и суммарного излучения кроме температуры зависит от физических свойств вещества. Поэтому шкалы приборов работающих в комплекте с пирометрами градуируются по излучению абсолютно черного тела, степень черноты которого Е₀ = 1. Реальные физические тела излучают энергию менее интенсивно, т.к. степень черноты для них 0<Е<1. Поэтому пирометры излучения показывают температуру, заниженную относительно действительного значения. Следовательно, при использовании пирометров вводят соответствующие поправки на степень черноты реального тела. В основу работы пирометра частичного излучения положен закон Планка.

,

где С1 и С2 - константы Планка;

l - длина волны;

Т - абсолютная температура;

-интенсивность монохроматического излучения.

Следствием закона Планка является закон Стефана-Больцмана, выражающий зависимость между суммарной энергией излучения и температурой абсолютно черного тела:

,

где Ео – энергия суммарного излучения;

-константа излучения абсолютно черного тела.

Этот закон положен в основу работы пирометров полного излучения.

В общем случае пирометр состоит из первичного датчика, вторичного преобразователя и вторичного измерительного прибора.

Пирометр частичного излучения:

Рис. 10.3.

Излучение от нагретого тела 1 проходя через объектив 2 и диафрагму 3 попадает на чувствительный элемент 4, который поглощая энергию излучения вырабатывает пропорциональный ей, а следовательно и температуре электрический сигнал напряжения. Этот сигнал поступает в измерительную схему на вторичный преобразователь и вторичный измерительный прибор, градуированный в ⁰С. В качестве чувствительных элементов в пирометрах частичного излучения применяются фотодиоды фоторезисторы и т.д. В пирометрах полного излучения термобатарея, состоящая из нескольких последовательно соединенных термопар. Для выделения из общего спектра излучения определенной длинны волны, в пирометрах частичного излучения применяется цветной светофильтр 7. Окуляр 6 служит для удобства визирования датчика на тело 1. Все элементы пирометра размещаются в корпусе 5.

К пирометрам частичного излучения относятся оптические, фотоэлектрические и цветовые (спектрального отношения) пирометры. Принцип действия оптических и фотоэлектрических пирометров основан на сравне­нии интенсивности монохроматического излучения нагретого тела и эта­лонной пирометрической лампы накаливания.

В ручных оптических пирометрах типа ОППИР и "Проминь" сравнение интенсивностей излучения производится глазом наблюдателя. С помощью объектива и окуляра пирометра получают четкое изображение нити накаливания на фоне объекта. Далее, изменяя силу тока в пирометрической лампе с помощью реостата, добиваются при красном светофильтре совпа­дение интенсивностей излучения объекта и нити накаливания - нить как бы «исчезает» на фоне объекта. Отсчет температуры производится по шкале милливольтметра в градусах.

В пирометрах частичного излучения ФЭП, "Смотрич" (комплекса АПИР-С) сравнение интенсивностей излучения нагретого тела и лампы на­каливания производится автоматически с использованием фотоэлемента; в пирометрах с первичным преобразователем ПЧД (комплекс АПИР - С) излучение нагретого тела, воспринимается чувствительным элементом (фотодиодом, фоторезистором), преобразуется в унифицированный сигнал (0-5 мА, 4-20 мА или 0-100 мВ) и фиксируется вторичным прибором, шкала которо­го размечена в градусах.

В цветовых пирометра, иначе в пирометрах спектрального отношения «Спектропир», «Веселка» (комплекса АПИР-С), температура определяется по отношению интенсивностей излучения нагретого тела для двух заранее выбранных длин волн l₁ и l₂.

Пирометры полного (интегрального) излучения носят название радиационных пирометров. Выпускаются пирометры с пирометрическими преобразователями различных типов агрегатированного комплекса стационарных пирометрических преобразователей и пирометров излучения АПИР-С.

Различные типы пирометров позволяют измерять температуру в интер­вале 30-6000⁰С. Кроме степени черноты тела на точность измерения сильно влияет промежуточная среда (пыль, дым, пар и т.п.) между наг­ретым телом и датчиком. Поэтому при измерении температуры кладки в некоторых случаях датчик визируется на донышко так называемого ка­лильного стакана, вмонтированного в кладку.

В качестве вторичных измерительных приборов с термопарами и пиро­метрами используются милливольтметры, автоматические потенциометры или приборы с унифицированным входным сигналом.

Милливольтметры не отличаются высокой точностью измерения и поэтому используются довольно редко, например, при измерении температуры от­ходящих продуктов сгорания, температуры охлаждающей воды и т.п.

При использовании с термопарами ил пирометрами вторичных приборов с унифицированным входом (типа КСУ, КПУ, КВУ или серии А) между первичным преобразователем и вторичным прибором обязательно устанав­ливается промежуточный преобразователь, который преобразует термоЭДС термопары или сигнал пирометра в унифицированный сигнал.

Самое широкое распространение для работы в комплекте с термопара­ми и с некоторыми модификациями пирометров излучения получили автома­тические потенциометры. Принцип действия потенциометра заключается в том, что измеряемая термоЭДС (или напряжение) уравновешивается равным ей по величине, но обратным по знаку напряжением вспомогательного ис­точника тока, которое затем измеряется с большой точностью.

Современные автоматические потенциометры типа КСП, КПП, КВП, ДИСК-250 и другие имеют класс точности 0,25 – 0,5.