При различии световых потоков излучателя 1 и лампы 17 в токе фотоэлемента появится переменная составляющая, имеющая частоту 50 Гц и амплитуду, пропорциональную разности данных потоков. Усилитель 13 обеспечивает усиление переменной составляющей, а фазовый детектор 14 последующее ее выпрямление. Полученный выходной сигнал подается на лампу, что вызывает изменение силы тока накаливания. Это будет происходить до тех пор, пока на катоде фотоэлемента световые потоки от двух источников не уравняются. Следовательно, ток лампы обратной связи однозначно связан с яркостной температурой объекта измерения.
В цепь лампы 17 включено калиброванное сопротивление 16, падение напряжения на котором пропорционально силе тока и измеряется быстродействующим потенциометром 15, снабженным температурной шкалой. Окуляр 4 обеспечивает наводку устройства на объект измерения.
В фотоэлектрических пирометрах с пределами
измерения от 500 до
1100 0С применяют кислородно-цезиевый фотоэлемент, а в приборах со
шкалой 800¸4000 0С вакуумный сурьмяно-цезиевый. Сочетание последнего с
красным светофильтром обеспечивает получение эффективной длины волны пирометра
0.65±0.01
мкм, что приводит к совпадению показаний фотоэлектрического пирометра с
показаниями визуального оптического пирометра.
Пирометры спектрального отношения
Пирометры данного типа измеряют цветовую температуру объекта по отношению интенсивностей излучения в двух определенных участках спектра, каждая из которых характеризуется эффективной длиной волны , .
На (рис. 13) приведена схема двухканального пирометра спектрального отношения (ПСО), в котором преобразование энергии получения в электрические сигналы производится с помощью двух кремниевых фотодиодов. Поток излучения от объекта измерения 1 с помощью оптической системы, состоящей из линз 2, апертурной и полевой диафрагмы 3, передается на интерференционный светофильтр 4. Последний обеспечивает выделение двух потоков, каждый из которых характеризуется собственным спектром. Данные потоки попадают на кремниевые фотодиоды 7, которые преобразуют излучение в фототок, протекающий через сопротивление R1 и R2, включенные в измерительную схему вторичного регистрирующего прибора – логометра. Разность падений напряжений на сопротивлениях подается на вход усилителя 5, выходной сигнал которого поступает на реверсивный двигатель 6, перемещающий движок реохорда R2 и стрелку относительно шкалы наступления баланса, соответствующего измеряемой температуре.
Интерференционный фильтр 4 является полупрозрачным зеркалом, имеющем высокий коэффициент пропускания в одной и высокий коэффициент отражения в другой области спектра. Зеркало 8 и окуляр 9 обеспечивают визуальную наводку объектива пирометра на объект измерения. Для уменьшения погрешности от влияния окружающей температуры фильтр 4 и приемники излучения 7 помещены в термостат.
ПСО используются для измерения температур твердого и расплавленного металла в широком интервале температур от 300 до 2200 0С и имеют класс точности 1 и 1.5 (в зависимости от предела измерения). Данные пирометры имеют в 3-5 раз меньшую методическую погрешность, связанную с изменением степени черноты излучателя. На их показания значительно меньше влияют поглощения промежуточной среды. Однако в тех случаях, когда объект характеризуется селективным излучением (степень черноты при одной и той же температуре резко изменяется с длиной волны), погрешность ПСО может быть выше погрешности пирометров излучения других типов. ПСО более сложны и менее надежны, чем другие приборы.
Пирометры суммарного излучения
Пирометры суммарного излучения измеряют
радиационную температуру тела, поэтому их часто называют радиационными. Принцип действия данных измерителей температуры
основан на использовании закона
Стефана-Больцмана. Однако в случае применения оптических систем в ПСИ
определение температуры ведется по плотности интегрального излучения не во всем
интервале длин волн, а значительно меньшем: для стекла рабочий спектральный
диапазон составляет 0.4¸2.5, а для плавленого кварца 0.4¸4 мкм.
Датчик пирометра выполняется в виде телескопа, линза объектива которого фокусируется на термочувствительном приемнике излучения нагретого тела. В качестве термочувствительного элемента используются термопары, термобатареи, болометры (металлические и полупроводниковые), биметаллические спирали и т. п. Наиболее широко применяются термобатареи (рис. 14 а), в которых используется 6-10 миниатюрных термопар (например, хромель-копелевые), соединенных последовательно. Поток излучения попадает на расклепанные в виде тонких зачерненных лепестков рабочие концы 4 термопар 2. Свободные концы термопар привариваются к тонким пластинкам 1, закрепленным на слюдяном кольце 3. Металлические выводы 5 служат для присоединения к измерительному прибору, в качестве которого обычно используются потенциометры или милливольтметры.
Рабочие концы термопар поглощают падающую энергию и нагреваются. Свободные концы находятся вне зоны потока излучения и имеют температуру корпуса телескопа. В результате возникновения перепада температур термобатарея развивает термо-ЭДС, пропорциональную температуре рабочих спаев, а следовательно, и температуре объекта измерения. Градуировка пирометров производится при температуре корпуса 20±2 0С, поэтому повышение данной температуры приводит к уменьшению перепада температур в термопарах приемника излучения и к появлению значительных дополнительных погрешностей. Так, при температуре корпуса 40 0С дополнительная погрешность (при прочих равных условиях) составит ±4 0С. Для снижения этой погрешности пирометры снабжаются компенсирующими устройствами: электрическим шунтом или биметаллической пружиной.
На (рис. 14б) показано устройство телескопа ПСИ. Он включает: корпус 1 с диафрагмой 7; объектив, имеющий стеклянную или кварцевую линзу 2, устанавливаемую во втулке 13, ввинчиваемой в корпус; блок термобатареи, состоящей из самой термобатареи 3, корпуса 5, отростка, на который навинчивается подвижная диафрагма 6, и контактных винтов 10; компенсационное медное сопротивление 4, шунтирующее термобатарею и обеспечивающее уменьшение влияния измерений температуры телескопа на показания пирометра; окуляр, включающий линзу 8 и защитное стекло 9. Фланец 11 служит для крепления корпуса к защитной арматуре, обеспечивающей работу пирометра в тяжелых условиях металлургического производства.
Получение стандартной градуировки обеспечивается перемещением диафрагмы 6, зубчатый венец которой сочленен с зубьями трубки 12.
Диафрагма, устанавливаемая в телескопе, ограничивает телесный угол визирования, что исключает влияние на показания размеров излучателя и его расстояния от пирометра. При этом на термобатарею попадает излучение только с определенного небольшого участка объекта измерения. Размеры этого участка определяются по показателю визирования, который является отношением наименьшего диаметра излучателя к расстоянию от объекта измерения до объектива телескопа. При этом изображение круга, вписанного в излучатель, полностью перекрывает отверстие диафрагмы 6, находящейся перед термобатареей. Телескопы с показателем визирования более 1/16 являются широкоугольными, а с показателем, равным или меньшим 1/16, - узкоугольными.
При измерении температуры в схему пирометра между телескопом и вторичным прибором (милливольтметром или потенциометром) включается панель уравнительных и эквивалентных сопротивлений – панель взаимозаменяемости телескопов типа ПУЭС. Она обеспечивает постоянную нагрузку телескопа при работе с одним или двумя вторичными приборами, а также замену телескопа одной градуировки на телескоп другой градуировки. Защита пирометра от пыли, высокой температуры, механических воздействий обеспечивается с помощью специальной защитной арматуры.
Сопротивление соединительной линии между ПСИ и потенциометром не должно превышать 200 Ом, а при работе с милливольтметром оно равно 5 Ом.
ПСИ имеют меньшую точность по сравнению с другими пирометрами. Методические погрешности измерения температуры при использовании ПСИ возникают вследствие значительной ошибки определения интегральной степени черноты , из-за неправильной наводки телескопа на излучатель, из-за влияния излучения кладки (измерение температуры металла в печах) и из-за поглощения энергии водяными парам и углекислым газом, содержащихся в слое воздуха, находящегося между излучателем и пирометром. Вследствие последней причины оптимальным считается расстояние 0.8-1.3 м.
Вид материала линзы определяет интервал измеряемых температур и градуировочную характеристику. Стекло из флюорита обеспечивает возможность измерения низких температур начиная с 100 0С, кварцевое стекло используется для температуры 400¸1500 0С, а оптическое стекло для температур 950 0С и выше.
ПСИ измеряют температуру от 100 до 3500 0С.
Основная допустимая погрешность технических промышленных пирометров возрастает
с увеличением верхнего предела измерения и для температур 1000, 2000 и
3000 0С составляет соответственно ±12; ±20 и ±35 0С.
2. Расчетное задание
2.1. Расчет измерительной схемы автоматического уравновешенного моста
Заданы:
- градуировка термометра сопротивления 23;
- значения начальной и конечной показаний температур прибора;
; ;
; ;
Наибольшую чувствительность обеспечивает попарно равноплечий мост у которого R2=R3 и R1»Rт, причем сопротивления R2 и R3 задаются в пределах 100-400 Ом. Наиболее часто принимают значение 300 Ом.
;
Эквивалентное сопротивление Rэ реохорда с шунтирующим сопротивлением Rш принимают равным 90 Ом. Сопротивление резистора Rн принимают обычно равным 4.5 Ом.
; ; ;
Сопротивление плеча моста R1 определяют по формуле:
;
где
;
Из условия равновесия измерительной схемы моста соответственно для левого и правого крайних положений движка:
;
;
Решая данную систему относительно Rп получим:
;
Величину сопротивления резистора Rк, определяющего верхний предел измерений, определяют по формуле:
;
Максимальное значение тока Imax, протекающего через ТС, принимается равным 0.007 А. Величину балластного сопротивления рассчитывают по формуле:
;
где U – напряжение питания измерительной схемы моста, равное 6.3 В.
2.2. Расчет сопротивлений измерительной схемы автоматического потенциометра
Заданы:
- шкала прибора 0¸1300 0С;
- градуировка термоэлектрического термометра ТПП;
- расчетная температура свободных концов термометра ;
- возможная температура свободных концов термометра ;
- начальное значение шкалы ;
- конечное значение шкалы ;
- диапазон измерений ;
- нормированное номинальное сопротивление реохорда ;
- нерабочие участки реохорда ;
- нормированное номинальное падение напряжения на резисторе Rк ;
- выходное напряжение ИПС ;
- номинальная сила тока в цепи ИПС ;
- сопротивление нагрузки ИПС ;
- номинальная сила тока в верхней ветви измерительной схемы прибора ;
- номинальная сила тока в нижней ветви измерительной схемы прибора ;
- температурный коэффициент электрического сопротивления меди ;
Определяем по формуле:
;
Определяем приведенное сопротивление реохорда:
;
проверяем правильность определения Rпр:
;
Определяем величину резистора Rк и величину балластного сопротивления Rб:
;
;
Определяем значение сопротивления медного резистора Rм:
;
;
;
; ; ;
Изменение показаний потенциометра для конечного значения шкалы при изменении температуры свободных концов термоэлектрического термометра от до составит:
.
Вывод
Практический опыт построения систем регулирования промышленных объектов показывает, что главное значение здесь приобретает не задача выбора алгоритмов функционирования регуляторов, а задачи построения оптимальной схемы получения регулятором текущей информации о состоянии объекта регулирования, которое отражает характер взаимодействий между двумя функциональными основными элементами системы регулирования - объектом и регулятором. Высокопроизводительная, экономичная и безопасная работа технологических агрегатов металлургической промышленности требует применения современных методов и средств измерения величин, характеризующих ход производственного процесса и состояние оборудования. Температура является одним из основных параметров, подлежащих контролю со стороны систем автоматического управления металлургическими процессами. В условиях агрессивных сред и высоких температур, наиболее подходящими для использования являются фотоэлектрические пирометры. Они позволяют контролировать температуру от 100 до 6000 0С и выше. Одним из главных достоинств данных устройств является отсутствие влияния температурного поля нагретого тела на измеритель, так как в процессе измерения они не вступают в непосредственный контакт друг с другом. Так же фотоэлектрические пирометры обеспечивают непрерывное автоматическое измерение и регистрацию температуры, что позволяет использовать их в системах автоматического управления процессами без дополнительных затрат на приобретение и обслуживание устройств сопряжения.
Список литературы
1. Преображенский В. П. Теплотехнические измерения и приборы. М.: Энергия, 1978, - 704 с.
2. Чистяков С. Ф., Радун Д. В. Теплотехнические измерения и приборы. М.: Высшая школа, 1972, - 392 с.
