Яркостные визуальные пирометры

Я ркостные визуальные пирометры, называемые также оптиче­скими, широко применяются для измерения температур выше 800°С в производственных и лабораторных условиях. Недостатком этих приборов, как уже говорилось, является то, что они измеряют не истинную, а

Рис. 4. Схема яркостного визуального оптического

пирометра:

а — температура нити низка; б — температура нити высока; в — момент равенства яркостей

яркостную температуру и, кроме того, не могут быть использованы для регистрации или автоматического регулирования температуры.

Принцип действия яркостных пирометров основан на зависимо­сти монохроматической яркости черного тела от температуры, вы­ражаемой законами Вина и Планка.

При измерении⁼температуры пирометром яркость излучателя сравнивается с яркостью градуированного источника излучения. встроенного в пирометр. Из рис.4 видно, что изображение излуча­теля 1 при помощи линзы 2 объектива пирометра фокусируется в плоскости нити пирометрической лампочки 5. Наблюдатель через окуляр 8 и красный светофильтр 7 видит нить лампы на фоне изображения излучателя. Регулируя реостатом 11 силу тока, прохо­дящего через лампу, от источника тока 10, наблюдатель плавно изменяет яркость нити до уравнивания с видимой яркостью излуча­теля. При равенстве яркостей излучателя и нити последняя «исче­зает» на фоне изображения излучателя. Из равенства яркостей делают заключение о равенстве яркостных температур излучателя и нити лампы. Выполненная заранее градуировка, при которой определяют зависимость между силой тока, проходящего через лам­пу, и ее яркостной температурой, позволяет по показаниям прибо­ра 9 отсчитать измеряемую температуру.

Фотоэлектрические яркостные пирометры

Фотоэлектрические яркостные пирометры в отличие от визуаль­ных можно использовать как стационарные приборы для непрерыв­ного измерения, записи, сигнализации и регулирования температуры в различных технологических процессах и лабораторных работах. Нижний температурный предел применения фотоэлектрических пи­тометров около 100—200° С, т. е. значительно ниже, чем визуаль­ных.

Принцип действия яркостных фотоэлектрических пирометров так же, как и визуальных, основан на использовании зависимости монохроматической яркости от температуры, которая для черного излу­чателя выражена законами Вина и Планка.

В фотоэлектрических пирометрах излучение действует на фото­электрические приемники: фотоэлементы, фотоумножители, фотодиоды и фотосопротивления.

По принципу устройства и действия фотоэлектрические яркост­ные пирометры могут быть подразделены на две группы: 1) пирометры, в которых мерой яркости объекта измерения и, следовательно, его температуры служит непосредственно величина фототока, в схе­му которых входит стабильный источник излучения — миниатюр­ная лампочка накаливания и мерой температуры служат стабиль­ные параметры этой лампочки. Фотоэлектрический приемник в та­ких пирометрах является лишь индикатором равенства яркостей объекта и лампочки (или равенства создаваемых объектом и лам­почкой освещенностей приемника); пирометры второй группы, в схему которых входит стабильный источник излучения.

Пирометры второй группы в отличие от пирометров первой ха­рактеризуются значительно большей стабильностью своей градуировочной характеристики, так как нестабильность параметров фото­электрических приемников не влияет на показания прибора. Пре­имущество пирометров первой группы по сравнению с пирометрами второй заключается лишь в том, что они могут быть изготовлены с весьма малой инерционностью (сотые доли секунды), что важно при контроле быстроменяющихся температур, например, при высо­кочастотном индукционном нагреве деталей для их закалки.

Фотоэлектрические яркостные пирометры должны обеспечивать правильное и точное измерение температуры и, кроме того, возмож­ность расчета шкал показывающих приборов, входящих в комплект пирометра. В связи с этим к пирометрам предъявляют определен­ные требования. Энергия излучения, падающая в единицу времени на фотоэлек­трический приемник от объекта измерения, должна зависеть только от яркости и, следовательно, температуры объекта, но ни от рас­стояния между пирометром и объектом, ни от размеров излучающей поверхности. Для этой цели: 1) ограничивают расстояние между пирометром и излучателем определенными пределами, зависящими от параметров оптической системы пирометра и 2) при помощи диафрагмы поля зрения ограничивают угол визирования пиромет­ра и, следовательно, участок излучающей поверхности, с которой излучение попадает на приемник. Спектральный интервал, используемый при измерении темпера­туры фотоэлектрическими яркостными пирометрами, должен быть достаточно узким, чтобы его можно было характеризовать опреде­ленной величиной λ_эфф, которая не должна зависеть от измеряемой температуры.

Верхний предел измерения пирометра расширяют либо с по­мощью поглощающих стекол, либо уменьшением диаметра диаф­рагмы поля зрения.

В качестве показывающих и самопишущих приборов в комплек­тах пирометров применяют электронные автоматические потенцио­метры и стрелочные магнитоэлектрические приборы. Сигнализация и регулирование температуры производятся с помощью встроенных в электронные потенциометры дополнительных регулирующих устройств.

В пирометрах ФЭП-4 с нижним пределом измерения менее 800° С применяют кислородно-цезиевый фотоэлемент ЦВ-3, чувст­вительный к излучению с длиной волны от 0,4 до 1,2 мкм. Величина λ_эфф этих пирометров находится в пределах 0,9—1,1 мкм, поэтому показания их несколько отличаются от показаний визуальных пиро­метров. На рис. 5 показана схема пирометра ФЭП-4. Изображение участка визируемой поверхности 1, ограниченного углом визирова­ния пирометра, линза 2 объектива фокусирует на отверстие 7 в держателе светофильтра 5, установленном

Рис. 5. Схема фотоэлектрического пирометра ФЭП-4.

перед фотоэлементом 6. Диафрагма 3 и отверстие 7 ограничивают световой поток, падаю­щий на фотоэлемент. Если изображение визируемого участка на­гретой поверхности полностью перекрывает отверстие 7, то величи­на светового потока, падающего на катод фотоэлемента (и освещен­ность катода), зависит только от яркости визируемой поверхности, а следовательно, от ее температуры. Через отверстие 8 в том же держателе светофильтра на катод фотоэлемента падает световой поток от лампы накаливания 17. Эта лампа осуществляет в приборе обратную связь по световому потоку. Световые потоки от визируе­мого объекта 1 и от лампы обратной связи 17 модулируются в противофазе с частотой 50 гц при помощи вибрирующей заслонки 9. Схема устройства вибратора показана на рис. 5 отдельно. Сталь­ной якорь 11, на котором укреплена заслонка 9, перемагничивается с частотой 50 гц катушкой возбуждения 10, питаемой перемен­ным током от одной из вторичных обмоток силового трансформа­тора, и с той же частотой поочередно притягивается полюсами по­стоянного магнита 12. Вследствие этого заслонка поочередно при­крывает и открывает каждое из отверстий 7 и 8. Если световые по­токи, падающие на катод фотоэлемента от измеряемого объекта 1 и лампы 17, не одинаковы, то в токе фотоэлемента появится переменная составляющая с частотой 50 гц, а величина ее будет про­порциональна разности указанных потоков. Переменную составляю­щую фототока усиливает усилитель 13 и выпрямляет фазовый де­тектор. Выпрямленное напряжение поступает в выходной каскад усилителя 14, что в конечном счете вызывает изменение силы тока в лампе обратной связи. При этом, если световой поток от лампы был меньше светового потока визируемой поверхности,- то сила тока в лампе увеличивается до тех пор, пока разность световых потоков не уменьшится до минимума и, наоборот, если световой поток лам­пы был больше, то сила тока в лампе уменьшается. Таким образом, ток лампы обратной связи, однозначно связанный с ее световым потоком, достаточно точно характеризует яркость и температуру визируемого объекта.

Последовательно с лампой обратной связи включено калибро­ванное сопротивление 16. Падение напряжения на этом сопротивлении, пропорциональное силе тока в лампе, измеряется электрон­ным потенциометром 15, градуированным в градусах яркостной температуры излучателя. Правильность наводки пирометра на объект контролируют через окуляр 4.

Благодаря отрицательной обратной связи по световому потоку и благодаря большому усилению градуировочная характеристика прибора практически не зависит от изменений чувствительности фотоэлемента и от изменения других параметров электрической схемы.

ЦВЕТОВЫЕ ПИРОМЕТРЫ

Цветовые пирометры так же, как и яркостные, делятся на визуальные и фотоэлектрические (использующие видимую часть спектра и, следовательно, обеспечивающие возможность измерения более низких температур, чем первые) по сравнению с визуальными фотоэлектрические цветовые пирометры обладают существенными преимуществами и поэтому применяются более широко.

РАДИАЦИОННЫЕ ПИРОМЕТРЫ

Радиационные пирометры, измеряющие температуру неконтакт­ным методом по излучению нагретого тела, применяются как ста­ционарные приборы для измерения, записи, сигнализации и регу­лирования температуры в производственных условиях. Наибольшее распространение получили радиационные пирометры, предназна­ченные для измерений в температурном интервале 400—2000° С.

Принцип действия радиационных пирометров основан на ис­пользовании закона Стефана—Больцмана, выражающего зависи­мость между полной энергией излучения черного тела и температу­рой. Основной частью радиационного пирометра является телескоп, в котором при помощи линзы объектива или вогнутого зеркала из­лучение нагретого тела (измеряемого объекта) концентрируется на приемник излучения. Приемниками излучения служат термопа­ры, термобатареи, болометры (металлические и полупроводнико­вые), биметаллические спирали и др. Наибольшее распространение получили телескопы, в которых приемником излучения является термобатарея, составленная из нескольких последовательно соеди­ненных термопар. В таких телескопах излучение концентрируется на рабочие концы термопар термобатареи, которые, поглощая излуче­ние, нагреваются, вследствие чего термобатарея развивает т. э. д. с. Степень нагрева рабочих концов и величина т. э. д. с. термобатареи возрастают при повышении температуры измеряемого объекта. Та­ким образом, обеспечивается однозначная зависимость между из­меряемой температурой и т. з. д. с. телескопа. Т.э.д.с. телескопа измеряют пирометрическими милливольтметрами и электронными потенциометрами, градуированными в градусах температуры излу­чателя. Количество лучистой энергии, падающей на объектив теле­скопа, зависит не только от температуры излучателя, но и от его размеров и от расстояния между излучателем и телескопом. Для того чтобы исключить влияние на показания радиационного пиро­метра двух последних факторов и обеспечить зависимость показаний только от температуры излучателя, в телескопе устанавливают диафрагму поля зрения, которая ограничивает телесный угол визи­рования телескопа. При этих условиях на термобатарею попадает излучение только с небольшого участка излучателя, ограниченного углом визирования. Визируемый участок излучателя оценивают по показателю визирования, определяя его как отношение наимень­шего диаметра излучателя к расстоянию от излучателя до объек­тива телескопа, при котором изображение круга, вписанного в из­лучатель, перекрывает отверстие диафрагмы, установленной перед термобатареей.

Излучение с поверхности, находящейся за пределами указанного участка, не попадает на термобатарею и, таким образом, обеспечи­вается независимость показаний пирометра от размеров излучателя. При увеличении расстояния между телескопом и излучателем раз­меры ограничиваемой углом визирования излучающей поверхности увеличиваются примерно пропорционально квадрату этого расстоя­ния. Однако при этом количество лучистой энергии, падающее на термобатарею с единицы поверхности излучателя, уменьшается также пропорционально квадрату расстояния между телескопом и излучателем. Поэтому показания радиационного пирометра не должны зависеть от расстояния между телескопом и излучателем.

Практически некоторая зависимость показаний радиационного пирометра от размеров излучателя и от расстояния между излуча­телем и телескопом имеет место, являясь причиной дополнительных погрешностей пирометра.

По величине угла визирования телескопы радиационных пиро­метров бывают широкоугольные, узкоугольные и остроугольные. К широкоугольным относятся телескопы с показателем визирования более 1/16, предназначенные в основном для измерения невысоких температур в пределах 0—500° С. При этих температурах интенсив­ность излучения мала, и на термобатарею необходимо концентри­ровать излучение с большей площади, чтобы получить такой нагрев

Конструкция узкоугольного телескопа ТЕРА-50 схематически показана на рис. 6. Основными частями телескопа являются: мас­сивный металлический корпус 6 длиной 180 мм и диаметром 70 мм с диафрагмой 8; объектив, состоящий из стеклянной или кварцевой линзы 7, вмонтированной во втулку, ввинчиваемую в корпус (линза фокусирует изображение измеряемого объекта на термобатарею); блок термобатареи — металлическое основание с укрепленной на нем термобатареей 10 и фланец с резьбовым отростком, на который навинчивается диафрагма 9, ограничивающая угол визирования телескопа (при градуировке телескопа диафрагму 10 при помощи трибки 5 перемещают вдоль резьбового отростка, подгоняя т. э. д. с. термобатареи до стандартного значения); компенсационное сопро­тивление 4 из медной прово­локи, шунтирующее термо­батарею (помещенное вбли­зи свободных концов — хо­лодных спаев — термобата­реи), служит для уменьше­ния влияния изменений температуры телескопа на его показания;

Рис.5 Схема устройства узкоугольного телескопа.

окуляр, состоя­щий из линзы 3 и защитногостекла 2, контролирующий правильность наводки телескопа (защитное, поглощающее, стекло предохраняет глаз наблюдателя при высоких температурах и большой яркости объ­екта).

Соединительные провода 1 от потенциометра или панели вводятся через патрубок, имеющийся на корпусе телескопа, и подключаются к двум зажимам, укрепленным на блоке термобатареи.

Широкоугольные телескопы ТЕРА-50 отличаются от узкоугольных конструкцией объектива

ТЕРМОКАРАНДАШИ

При местном нагреве закаленных деталей с помощью горелок до низких температур, когда нагрев не доводится до цвета каления металла, может легко произойти нагрев детали выше требуемой температуры. В этих случаях для определения температуры нагрева детали применяют так называемые термокарандаши. Они содержат специальные пигменты, которые изменяют свою окраску при воздействии на них повышенных температур. На поверх­ность детали термокарандашом наносится полоска, которая при нагреве до определенной температуры получает соответствующую окраску. Каждый термокарандаш предназначается только для одной температуры начиная с 40^оС и далее до 500^оС.

По назначению различают универсальные и специализированные микропроцессоры.

Универсальные микропроцессоры могут быть применены для решения широкого круга разнообразных задач. При этом их эффективная производительность слабо зависит от проблемной специфики решаемых задач. Специализация МП, т.е. его проблемная ориентация на ускоренное выполнение определенных функций позволяет резко увеличить эффективную производительность при решении только определенных задач.

Среди специализированных микропроцессоров можно выделить различные микроконтроллеры, ориентированные на выполнение сложных последовательностей логических операций, математические МП, предназначенные для повышения производительности при выполнении арифметических операций за счет, например, матричных методов их выполнения, МП для обработки данных в различных областях применений и т. д. С помощью специализированных МП можно эффективно решать новые сложные задачи параллельной обработки данных. Например, конволюция позволяет осуществить более сложную математическую обработку сигналов, чем широко используемые методы корреляции. Последние в основном сводятся к сравнению всего двух серий данных: входных, передаваемых формой сигнала, и фиксированных опорных и к определению их подобия. Конволюция дает возможность в реальном масштабе времени находить соответствие для сигналов изменяющейся формы путем сравнения их с различными эталонными сигналами, что, например, может позволить эффективно выделить полезный сигнал на фоне шума.

Разработанные однокристальные конвольверы используются в устройствах опознавания образов в тех случаях, когда возможности сбора данных превосходят способности системы обрабатывать эти данные.

По виду обрабатываемых входных сигналов различают цифровые и аналоговые микропроцессоры. Сами микропроцессоры цифровые устройства, однако могут иметь встроенные аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Поэтому входные аналоговые сигналы передаются в МП через преобразователь в цифровой форме, обрабатываются и после обратного преобразования в аналоговую форму поступают на выход. С архитектурной точки зрения такие микропроцессоры представляют собой аналоговые функциональные преобразователи сигналов и называются аналоговыми микропроцессорами. Они выполняют функции любой аналоговой схемы (например, производят генерацию колебаний, модуляцию, смещение, фильтрацию, кодирование и декодирование сигналов в реальном масштабе времени и т.д., заменяя сложные схемы, состоящие из операционных усилителей, катушек индуктивности, конденсаторов и т.д.). При этом применение аналогового микропроцессора значительно повышает точность обработки аналоговых сигналов и их воспроизводимость, а также расширяет функциональные возможности за счет программной «настройки» цифровой части микропроцессора на различные алгоритмы обработки сигналов.

Обычно в составе однокристальных аналоговых МП имеется несколько каналов аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования. В аналоговом микропроцессоре разрядность обрабатываемых данных достигает 24 бит и более, большое значение уделяется увеличению скорости выполнения арифметических операций.

Отличительная черта аналоговых микропроцессоров способность к переработке большого объема числовых данных, т. е. к выполнению операций сложения и умножения с большой скоростью при необходимости даже за счет отказа от операций прерываний и переходов. Аналоговый сигнал, преобразованный в цифровую форму, обрабатывается в реальном масштабе времени и передается на выход обычно в аналоговой форме через цифро-аналоговый преобразователь. При этом согласно теореме Котельникова частота квантования аналогового сигнала должна вдвое превышать верхнюю частоту сигнала.

Сравнение цифровых микропроцессоров производится сопоставлением времени выполнения ими списков операций. Сравнение же аналоговых микропроцессоров производится по количеству эквивалентных звеньев аналого-цифровых фильтров рекурсивных фильтров второго порядка. Производительность аналогового микропроцессора определяется его способностью быстро выполнять операции умножения: чем быстрее осуществляется умножение, тем больше эквивалентное количество звеньев фильтра в аналоговом преобразователе и тем более сложный алгоритм преобразования цифровых сигналов можно задавать в микропроцессоре.

Одним из направлений дальнейшего совершенствования аналоговых микропроцессоров является повышение их универсальности и гибкости. Поэтому вместе с повышением скорости обработки большого объема цифровых данных будут развиваться средства обеспечения развитых вычислительных процессов обработки цифровой информации за счет реализации аппаратных блоков прерывания программ и программных переходов.

По характеру временной организации работы микропроцессоры делят на синхронные и асинхронные.

Синхронные микропроцессоры - микропроцессоры, в которых начало и конец выполнения операций задаются устройством управления (время выполнения операций в этом случае не зависит от вида выполняемых команд и величин операндов).

Асинхронные микропроцессоры позволяют начало выполнения каждой следующей операции определить по сигналу фактического окончания выполнения предыдущей операции. Для более эффективного использования каждого устройства микропроцессорной системы в состав асинхронно работающих устройств вводят электронные цепи, обеспечивающие автономное функционирование устройств. Закончив работу над какой-либо операцией, устройство вырабатывает сигнал запроса, означающий его готовность к выполнению следующей операции. При этом роль естественного распределителя работ принимает на себя память, которая в соответствии с заранее установленным приоритетом выполняет запросы остальных устройств по обеспечению их командной информацией и данными.

По организации структуры микропроцессорных систем различают микроЭВМ одно- и многомагистральные.

В одномагистральных микроЭВМ все устройства имеют одинаковый интерфейс и подключены к единой информационной магистрали, по которой передаются коды данных, адресов и управляющих сигналов.

В многомагистральных микроЭВМ устройства группами подключаются к своей информационной магистрали. Это позволяет осуществить одновременную передачу информационных сигналов по нескольким (или всем) магистралям. Такая организация систем усложняет их конструкцию, однако увеличивает производительность.

По количеству выполняемых программ различают одно- и многопрограммные микропроцессоры.

В однопрограммных микропроцессорах выполняется только одна программа. Переход к выполнению другой программы происходит после завершения текущей программы.

В много- или мультипрограммных микропроцессорах одновременно выполняется несколько (обычно несколько десятков) программ. Организация мультипрограммной работы микропроцессорных управляющих систем позволяет осуществить контроль за состоянием и управлением большим числом источников или приемников информации.

МАГНИТНЫЕ ПУСКАТЕЛИ

В системах автоматического управления термических агрегатов включе­ние и выключение электродвигателей производится с помощью специальных приборов — магнитных пускателей (фиг. 299). Когда электродвигатель рабо­тает в одном направлении, используют магнитные пускатели нереверсивные (ПМ), а при переменном направлении — магнитные пускатели реверсивные (ПМР). Схема магнитного пускателя для нереверсивного электродвигателя

Фиг. 299. Схема магнитных пускателей: а — для нереверсивного двигателя; б — для реверсивного двигателя.

показана на фиг. 299, а. В главную цепь (жирные линии) включены трех» полюсный линейный контактор Л, термическое реле РТ и электродвигатель. В цепь управления, показанную тонкими линиями, входят кнопки «Пуск» Я и «Стоп» С, катушка линейного контактора В с блок-контактами К и контакты термического реле РТ.

При нажатии кнопки «Пуск» цепь замыкается следующим образом: линейный провод Л₃, контакты П и С, катушка контактора В, контакты тер­мического реле РТ и линейный провод Л_х. При включенной катушке контак­тора замыкаются главные контакты магнитного пускателя и включается электродвигатель. После отпуска кнопки «Пуск» и возврата ее в исходное положение цепь управления не размыкается вследствие замкнувшегося блок-контакта К. В этом случае цепь будет замкнутой от линейного провода Л₃ через блок-контакт К, кнопку «Стоп», катушку контактора, контакты тепло­вого реле и линейный провод Л_х. Цепь катушки размыкается при нажатии кнопки «Стоп», в результате чего электродвигатель отключается от сети. Для выключения электродвигателя при коротком замыкании устанавли­ваются плавкие предохранители.

Схема реверсивного магнитного пускателя показана на фиг. 299, б. В этой схеме кнопочная станция имеет три кнопки: «Вперед», «Назад» и «Стоп». Две кнопки «Вперед» и «Назад» — двухконтактные. При размыкании, напри­мер, контактов /' и 2» кнопка «Вперед» одновременно замыкает контакты/ и 2. Это исключает возможность одновременного включения катушек В и Н, что привело бы к короткому замыканию.

При нажатии кнопки «Вперед» замыкается цепь, включающая электродви­гатель на ход вперед. При возврате кнопки «Вперед», т. е. при отходе ее от нижних контактов, катушка контактора будет находиться-под током и цепь останется замкнутой через блок-контакт БК-1- При замыкании нижних контактов кнопкой «Назад» электродвигатель переключается на обратный ход. При отходе кнопки «Назад» в исходное положение цепь останется замк­нутой через блок-контакт БК.-2. Размыкание того или другого контактора будет происходить при нажатии кнопки «Стоп», так как каждая из цепей проходит через ненажатые контакты этой кнопки.

Магнитные пускатели обоих типов монтируются на плите и сверху закры­ваются железным ящиком. Они выпускаются заводами ХЭМЗ и «Электро­сила» мощностью до 75 кет при напряжении до 500в.