книги из ГПНТБ / Львов Н.С. Автоматизация контроля и регулирования сварочных процессов

только осуществить контроль температуры, но еще и получить предварительное усиление сигнала. Пример такого устройства

Термоэлектрические чувствительные элементы (термопары), действие которых основано на возникновении т. э. д. с. в спае: разнородных проводников, наиболее распространены. Широкое применение получили термопары: хромель-алюмель, хромелькопель и платина-платинородий. Рабочие диапазоны их соответ­ ственно от —20 до +1000° С, от —50 до + 600° С и от —20 до + 1600° С. Величина т. э. д. с, развиваемой термопарой, зависит лишь от материала электродов температур «горячего» Т и «хо­ лодного» Т0 спаев:

е = ае(Т — Т0);

где ае — коэффициент т. э. д. с.

Однако для того чтобы получить указанные значения т. э. д. с , недостаточно иметь какую-то термопару и заданную

также возникают т. э- д. с , но уже паразитные и непостоянные (зависящие от температуры внешней среды). Если соединитель­ ные провода выполнены из того же материала, что и один из проводников термопары, то в схеме есть только одна точка воз­ никновения паразитной т. э. д. с. — в месте соединения соеди­ нительного провода с другим проводником термопары. Эту точ­ ку называют холодным спаем, так как она в отличие от горяче­ го спая термопары, находящегося в контролируемой среде, располагается вне этой среды и в большинстве случаев при зна­ чительно меньшей температуре (например, точка а на рис. 14). Поэтому необходимо обеспечить либо постоянство температуры холодного спая, либо компенсацию даваемой ею погрешности.

зо

При измерении высоких температур — порядка более 500°С — можно ограничиться тем, что поместить спай в среду с комнат­ ной температурой, так как при этом величина ошибки не пре­ вышает 2—4%.

манганиновые. Приводя мост в балансное состояние реостатом R9, можно установить нуль шкалы температуры по прибору ИП1. Постоянство тока, питающего мост термокомпенсации, кон­

Температуру сварочной ванны можно измерять с помощью термопары, которая должна отвечать определенным требовани­ ям: выдерживать высокую температуру, давать устойчивую и достаточно большую э. д. с, иметь линейную (или близкую к ней) характеристику. Хорошей выносливостью отличаются воль-

пара ЦНИИЧМ-1. Она не имеет точки инверсии и не нуждается практически в термокомпенсации. С помощью такой термопары можно измерять температуру сварочной ванны в разных ее точках в диапазоне 800—1800° С методом погружения.

Повысить эффективность применения термопар можно путем последовательного и параллельного их включения. Две встречно включенные термопары при размещении их холодных спаев в одинаковых условиях дают разность измеряемых ими темпера­ тур и не требуют термостатированияСогласное включение не­ скольких термопар повышает чувствительность. Если же они находятся в различных температурных зонах объекта, то можно

определить среднюю температуру, разделив суммарную э. д. с. на число термопар.

При контроле температуры среды с целью исключения оши­

они предназначены для измерения температуры тел по интен­ сивности и спектральному составу их теплового излучения опти­ ческим методом — без прямого контакта с объектом. Различа­ ют пирометры полного излучения (радиационные), частичного излучения, монохроматического излучения (яркостные) и спек­ трального соотношения (цветовые). У радиационных пиромет­ ров чувствительным элементом являются термопары или термо­ метры сопротивления, у остальных видов — фотоэлементы.

Радиационная температура печерного тела Тр, т. е. такая температура черного тела, при которой суммарная энергия из­ лучения равна суммарной энергии излучения нечерного тела в рабочем участке спектра,, может быть найдена по формуле

Получаемая при этом ошибка зависит от достоверности опре­

хромель-копелевую, железо-константановую, нихром-константа-

та контролируют лишь часть его в диапазоне длин волн, огра­ ниченном спектральной характеристикой чувствительности фото­ элемента. Суммарный световой поток, контролируемый пирометрами частичного излучения, достаточно велик (свето­ фильтры здесь не используются), поэтому усилители-преобразо­

альных тел отсутствуют данные о всех значениях спектрального

частичного излучения в системе регулирования этот недостаток существенного значения не имеет.

На рис. 15,а показана фунциональная схема пирометра ча­ стичного излучения типа АРС-52У. Протекающий по фотоэле­ менту Ф типа СЦВ-3 фототок дает на включенном последова­ тельно с ним резисторе падение напряжения, которое усили­ вается двухкаскадным ламповым вольтметром. Между анодами выходной лампы включен гальванометр ИП на 500 мка, шкала которого отградуирована в температурном диапазоне 900— 2500° С. Прибор имеет регулирующий узел, выполненный на базе двухпозиционного регулятора температуры типа МРЩПр-54.

тектора подается на ламповый усилитель мощности постоянного тока. В анодной цепи выходной лампы включена лампа накали­ вания Л. Ток накала этой лампы изменяется до тех пор, пока поток излучения ее не становится равным контролируемому по­ току. При этом напряжение, падающее на катодном резисторе RK лампы и пропорциональное яркостной температуре, контро­ лируется вольтметром ИП и может быть подано на регистриру­ ющий прибор БП-102. Метод сравнения двух потоков излучения при измерении температуры обеспечивает почти линейную зави­ симость тока накала эталонной лампы от температуры и позво­ ляет исключить зависимость показаний от изменения чувстви­ тельности фотоэлемента, нестабильности коэффициента усиления усилителя и температуры окружающей среды.

Ц в е т о в ы е п и р о м е т р ы . Для рассмотрения метода из­ мерения цветовой температуры обозначим через Ашах длину вол­ ны, соответствующую при данной температуре Т максимально­ му излучению, тогда

hmaxT = 0,2896 см • град.

Отсюда следует, что максимум излучения с ростом темпера­ туры смещается в сторону более коротких длин волн спектра (закон смещения). Отношение монохроматических интенсивностей излучения для двух длин волн Ki и К2, которое для каждой температуры различно и однозначно, может служить критерием истинной температуры тела. Наиболее часто берут синюю и крас­ ную области спектра (метод красно-синего отношения). По­ скольку цветовая температура измеряется как отношение двух потоков излучения, погрешность измерения здесь не зависит от расстояния до объекта, размеров и состояний излучающей по­ верхности и оптики пирометра. Меньше также и методическая ошибка измерения, так как большинство реальных тел может быть отнесено к так называемым серым телам, характеризую­ щимся тем, что у них коэффициенты испускательной способно­ сти зависят только от температуры и не зависят от длины волны. Для тел с серым излучением цветовая температура совпадает с истинной.

Связь цветовой температуры Тч, измеренной с помощью цве­ тового фотоэлектрического пирометра, с истинной температурой Т„ определяется выражением

і1

Простейший цветовой пирометр можно изготовить из двух эмиссионных фотоэлементов (сурьмяно-цезиевого и кислородно-

цезиевого), двух электронных ламп или транзисторов и изме­ рительного прибора. Благодаря резкому различию характери­ стик спектральной чувствительности фотоэлементов необходи­ мость в светофильтрах отпадает. Фотоэлементы включаются последовательно и образуют делитель напряжения, средняя точка которого подключена ко входу усилителя. При одинаковой освещенности фотокатодов обоих фотоэлементов, что легко до­ стигается при значительном расстоянии до контролируемого объекта, потенциал на входе усилителя зависит только от отно­ шения световых потоков.

Однако оптимальной для цветового пирометра является структура одноканальная, при которой на один и тот же фото­ элемент с помощью оптико-механического коммутатора пода­ ются поочередно два монохроматических излучения, выделяе­ мых красным и синим светофильтрами. В качестве чувствитель­ ных элементов пирометров можно использовать эмиссионные фотоэлементы и фоторезисторы, последние позволяют охватить измерениями и инфракрасную область излучения при темпера­ турах ниже 800°С. Однако они инерционны. Перспективно при­ менение фотодиодов, которые и безынерционны и имеют крас­ ную границу далее 2,0 мкм. Как показали исследования, они удовлетворяют почти всем требованиям [52, 24].

Отечественной промышленностью серийно выпускается цве­ товой пирометр ЦЭП-3 для диапазона температур 1400—2800° С [37]. Его функциональная схема показана на рис. 15,г. Модуля­ ция светового потока осуществляется обтюратором С1-С2, поло­ вина которого прикрыта синим, половина — красным свето­ фильтрами, благодаря чему на фотоэлемент поочередно посту­ пают пачки световых импульсов с длинами волн Яі и A#. Сигнал с нагрузки фотоэлемента поступает на резонансный усилитель, затем детектируется и подается через коммутатор К на две рамки логометра Г. Поскольку переключение контактов комму­ татора происходит синхронно с вращением обтюратора, на одну рамку логометра поступает всегда ток, пропорциональный све­ товому потоку с длиной волны Хі, на другую — с длиной вол­ ны Яг. Отношение сил токов, которое измеряет логометр, и есть цветовая температура. Существенным недостатком описанных одноканальных цветовых пирометров является наличие в них громоздких и недостаточно надежных оптико-механических ком­ мутаторов.

Для контроля сварочных процессов лучше всего подходят цветовые приборы. Они точны (до ± 1 % ) и малочувствительны к появлению окисной пленки на поверхности разогретого метал­ ла, не так сильно (как яркостные пирометры) реагируют на по­ вышение излучения при уменьшении температуры, связанное с проявлением кристаллической структуры при затвердевании зеркала расплавленного металла или сплава. На работу цвето­ вых пирометров слабо влияют поглощающие свойства среды,