книги из ГПНТБ / Александрова А.Т. Оборудование электровакуумного производства учеб. пособие

жины 8 поворот оси 9 и, следовательно, отклонение стрелки 10 по шкале прибора. С осью стрелки жестко связана контактная ще­ точка 15, скользящая по двум секторам с контактами. Один из сек­ торов 14 связан с желтым И, а другой — с красным 12 передвиж­ ным указателем. Указатели при помощи рычагов 13 устанавливают­ ся на определенные отметки шкалы, в результате чего при совпа­ дении конца стрелки с концом указателя замыкается определенный контакт. К недостаткам манометрических термометров следует от­ нести значительную тепловую инерцию датчика (термобаллона).

Для более точного измерения температур нашли применение электрические термометры сопротивления. Их действие основано на свойстве металлов изменять свое электрическое сопротивление в за­ висимости от температуры.

Термометр такого типа состоит из элемента сопротивления — датчика, выполненного из тонкой металлической проволоки или ленты, намотанной на каркас, измерительного устройства, служа­ щего для замера изменений электрического сопротивления датчика, и соединительных проводов.

Для изготовления элементов сопротивления применяются в ос­ новном чистые металлы, имеющие высокие значения температурно­ го электрического коэффициента и обладающие химической инерт­ ностью, так как малейшее окисление элемента вызовет изменение его сопротивления, эквивалентное повышению температуры, и, следова­ тельно, градуировка прибора будет нарушена.

Практически для изготовления элементов сопротивления при­ меняются четыре металла — платина, медь, никель и железо. Со­

120

единение элементов сопротивления с измерительными устройствами осуществляется обычными медными проводами, желательно сечением не менее 1,5 лш2 с тем, чтобы суммарное сопротивление обоих со­ единительных проводов не превышало 1,5—2 ом. В электрических термометрах сопротивления используются следующие измерительные

электрические термометры, состоящие из термопары (термоэлектро­ дов), электроизмерительного прибора (милливольтметра) и соеди­ нительных проводов.

В настоящее время наибольшее распространение получили сле­ дующие стандартные термопары:

Платинородий-платиновая термопара (ПП), положительный электрод которой состоит из сплава 90% платины и 10% родия, от­ рицательный — из платины. Диаметр термоэлектродов составляет около 0,5 мм.

Эти термопары могут быть применены для измерения темпера­ тур до 1600°С при условии их использования в окислительной газовой среде. В восстановительной атмосферетермоэлектроды ПП из-за науглероживания меняют свою термо-э. д. с. и быстро раз­

Термопары предназначены для измерения температур до 1 300 °С. Они надежно работают до этого предела в окислительной атмос­ фере, так как на поверхности электродов при нагреве образуется тонкая защитная пленка окислов, препятствующая проникновению кислорода в металл. При работе в вакууме новая термопара долж­ на быть предварительно нагрета на воздухе до образования защит­ ной окисной пленки.

Хромель-копелевая термопара (ХК), в которой положительный электрод выполнен из хромеля, отрицательный — из сплава копель, состоящего из 43—44% Ni и 57—56% Си. Хромель-копелевые тер­ мопары позволяют измерять температуры длительно до 600 °С, крат­

из платинородиевого сплава с содержанием родия 30%, отрицатель­ ный из такого же сплава с содержанием родия 6%. Она предназна­ чена для работы в окислительной среде при измерении температур до 1 800 °С.

Термопара ТМСВ-340М, положительный электрод — силицид мо­ либдена, отрицательный — силицид вольфрама. Пределы измеряемых температур 300—1650°С, предназначена для работы в окислитель­ ной атмосфере.

12!

Рис. 7-2. Конструкция высокотемпературной термопары.

1 — наружный электрод; 2 — внутренний электрод; 3 — гильза арматуры; 4 — водоохлаждасмын корпус; 5 — контакты; 6 — головка термопары; 7 — колодка с зажимами; 8 — асбестовое уплотнение.

Термопара ТГБЦ-360М, положительный электрод — спектрально чистый графит марки С2 или С3, отрицательный — борид циркония. Пределы измеряемых температур 800—-2 000 °С. Может работать в нейтральной атмосфере и в вакууме, а также пригодна для изме­

электродов, спаянных или сваренных в месте рабочего конца. Для изоляции термоэлектродов друг от друга на них надеваются одно-

двух трубок; внутренней керамической и наружной металлической, служащей в основном для механической защиты. Тепловая инерция термопар с двойной арматурой весьма велика. Поэтому на прак­ тике часто используются термопары без керамической защитной трубки с изоляцией одними бусами. Инерционность таких термопар уменьшается примерно в 5 раз. Совершенно иначе выполнены тер­ мопары типов ТМСВ, ТГБЦ, ТГКТ. Конструкция таких термопар показана на рис. 7-2.

В этих термопарах один из электродов выполнен в виде труб­ ки с закрытым сферическим донышком и заменяет собой защитную арматуру. Второй электрод представляет собой стержень, установ­ ленный внутри трубки и соединенный с донышком трубчатого элек­ трода методом спекания. Термопары этого типа снабжены водоох­ лаждаемым корпусом.

При измерении температуры сигнал от термопары поступает на измерительный прибор — милливольтметр.

В тех случаях, когда исключена возможность осуществить не­ посредственное соприкосновение рабочего конца термопары с изме­ ряемым объектом, применяют пирометры излучения. Они основаны на связи, существующей между температурой тела и количеством излучаемой им энергии.

Существуют радиационные, оптические, цветовые и фотоэлектри­ ческие пирометры. В радиационных пирометрах полное излучение тела, температура которого подлежит измерению, направляется

122

с помощью оптической системы на рабочий конец термопары и на­ гревает последний. По закону Стефана — Больцмана количество тепла, получаемого рабочим концом термопары, выражается сле­ дующим образом:

S = e074,

где Т — температура тела; е — относительный коэффициент лучеис­ пускания измеряемого тела; а — коэффициент лучеиспускания аб­ солютного черного тела. Каждой температуре измеряемого тела будет соответствовать своя термо-э. д. с.

Значительно более точными по сравнению с радиационными являются оптические пирометры. Они работают на принципе сравне­ ния яркости измеряемого тела с яркостью свечения нити электриче­ ской лампочки, температура которой зависит от проходящего через нее тока.

На рис. 7-3 показана принципиальная схема оптического пиро­ метра. Он представляет собой телескоп, в котором изображение нагретого тела проектируется объективом 3 на плоскость вольфра­ мовой нити специальной лампы накаливания 1. Изображение и нить рассматриваются через окуляр 4.

Регулируя реостатом 2 ток в лампе, можно добиться полного исчезновения средней части нити на фоне измеряемого тела, что соответствует равенству их температур. Включенный в цепь нити накала лампы миллиамперметр отградуирован в градусах и показы­ вает температуру нити, по которой можно определить измеряемую яркостную температуру тела. В окуляре предусмотрен красный светофильтр 5. Для измерения более высоких температур исполь­ зуется нейтральный светофильтр 6, который с помощью механизма 7 устанавливается между объективом и лампой. Диапазон измеряе­ мых температур 700—4 000°С. Каждому температурному диапазону должна соответствовать на измерительном приборе своя шкала.

Существуют и другие конструктивные схемы оптических пиро­ метров, однако принцип измерения для них остается общим. Дей­ ствие фотоэлектрических пирометров основано на использовании фо­ тоэлементов с внешним фотоэффектом.

123

Рис. 7-4. Принципиальная схема яркостного фотоэлектрического пи­ рометра.

На рис. 7-4 показана принципиальная схема яркостного фото­ электрического пирометра. Световой поток от измеряемого объекта через линзу /, диафрагму 2 и светофильтр 3 попадает на фотоэле­ мент Ф, включенный в цепь источника постоянного тока.

вается с помощью нуль-прибора с падением напряжения на рео­ хорде R з. Движок последнего показывает температуру.

7-2. Методы и средства автоматического регулирования температуры

Большинство технологических процессов производст­ ва электровакуумных приборов, осуществляемых в печах, требует строгого соблюдения заданных температурных режимов обработки, которые могут быть достигнуты раз­ личными методами автоматического регулирования.

Основной задачей устройств автоматического регули­ рования температуры является фиксация достигнутой изделием заданной температуры и ее поддержание в дальнейшем на заданном уровне с соответствующей требованиям технологии точностью. В отдельных слу­ чаях возникает необходимость программного регулиро­ вания температуры во времени.

Требования к точности регулирования могут изме­ няться в широких пределах. Например, при нагреве ме­ талла под пластическую деформацию на операциях, предшествующих ковке, волочению, прокатке и др., до­ пускаются колебания температуры в диапазоне ± 2 5 ^

± 5 0 °С. В некоторых случаях, например при выполнении

124

Таким образом, при необходимости произвести глу­ бину регулирования 1/2 к. и. д. регулирования будет

равен 1/ У 2= 0,707, т. е. при этом методе регулирования снижение мощности печи достигается за счет сущест­ венных дополнительных потерь.

При регулировании мощности печи вторым способом потери энергии сравнительно невелики, но наряду с уменьшением мощности печи снижается коэффициент мощности установки. Если считать, что печь сопротивле­ ния является чисто активной нагрузкой и что активными потерями в дросселе можно пренебречь, получим:

и Р = -Р п / ^ П. я о м = COS2 <p, COS? = / x p .

Таким образом, изменение коэффициента мощности в данном случае аналогично изменению к. п. д. Для плавного изменения мощности печи сопротивления наи­ более целесообразно использовать дроссель насыщения, индуктивность которого можно менять в широких пре­ делах.

На рис. 7-5 приведена принципиальная схема регу­ лирования мощности печи с использованием дросселя насыщения. Обмотка переменного тока дросселя насы­ щения 2 включена последовательно с печью 1.

Индуктивное сопротивление этой обмотки зависит ог тока лодмагничивания обмотки постоянного тока дрос­ селя (питаемой через выпрямитель 4), который можно регулировать. Если мощность печи велика, то ток управ­ ления дросселем окажется настолько большим, что тре­ буется введение дополнительного усилительного каска­ да. В этом случае может быть включен дополнительный дроссель 3. Обмотка переменного тока этого дросселя будет регулировать напряжение питания выпрямителя первого дросселя. Регулирование мощности печи осуще­ ствляется при этом реостатом 5.

Применение двух дросселей, соединенных в каскад, позволяет 'получить большой коэффициент усиления и оперировать на регулирующем реостате мощностью в не­ сколько ватт при мощности печи в несколько киловатт. Для регулирования трех фазных печей используют трех-

126

Рис. 7-5. Схема плавного регулирования мощности печи сопротивле­ ния с помощью дросселей насыщения.

фазные дроссели или соответственно три однофазных. Управление ими осуществляется магнитными усилите­ лями.

Регулирование мощности печи по третьему методу мо­ жет быть осуществлено регулированием величины на­ пряжения с помощью специальных аппаратов, рассчи­ танных на полную мощность печи: потенциал — регуля­ торов, трансформаторов или автотрансформаторов. Весьма перспективным является применение для этих целей управляемых вентилей, в качестве которых могут быть использованы игнитроны и управляемые кремние­ вые вентили (тиристоры).

Четвертый метод регулирования основан на том, что в трехфазных печах может быть осуществлено переклю­ чение нагревателей с треугольника в звезду (рис. 7-6,а). При этом мощность печи уменьшится в 3 раза. Для однофазных печей можно осуществить переключение с параллельного соединения нагревателей на последова­ тельное, что вызовет уменьшение мощности в 4 раза

(рис. 7-6,6).

Преимуществами метода переключения нагревателей электропечей является его простота и дешевизна и от­ сутствие дополнительных потерь. Эти методы использу­ ются на практике при позиционном регулировании.

127

Рис. 7-6. Схемы переключеРис. 7-7. Схема работы автоматиче-

ния нагревателей. ского регулятора температуры с по­ стоянной скоростью перемещения

исполнительного механизма.

Наиболее часто 'применяется двухпозиционное регу­ лирование, при котором печь периодически включается на полную мощность и полностью отключается на опре­ деленное время. Регулирование среднего значения мощ­ ности печи может осуществляться терморегулятором. В этом случае регулирование мощности совмещается с автоматическим регулированием температуры или спе­ циальным импульсным прерывателем.

Для автоматического регулирования температурного режима печей должна существовать обратная связь между мощностью печи и ее температурой, т. е. повыше­ ние температуры сверх заданного значения должно вы­ зывать снижение мощности печи и наоборот. Обратная связь может быть осуществлена различными методами:

плавным изменением мощности печи с постоянной скоростью независимо от температурного уровня;

изменением мощности печи со скоростью, пропорцио­ нальной величине отклонения температуры от заданного

значения; наличием между мощностью печи и температурой же­

сткой обратной связи, при которой каждой температуре печи соответствует своя определенная мощность.

128

Реализация первого метода может быть осуществле­ на с помощью астатического регулятора температуры с постоянной скоростью перемещения исполнительного механизма. Схема применения такого регулятора пока­ зана на рис. 7-7. Электрическая печь П питается от регулировочного трансформатора РТ. Автоматическое регулирование температуры производится автоматиче­ ским компенсатором АК, осуществляющим на нуль-при­ боре НП сравнение термо-э. д. с. термопары Т с паде­ нием напряжения на реохорде. Прибор НП управляет реверсивным двигателем Мі, который связан с трехпози­ ционным переключающим устройством ПУ, управляю­ щим реверсивным двигателем М2, меняющим вторичное напряжение трансформатора РТ.

Устройство настраивается таким образом, чтобы по­ дача энергии в печь равнялась ее потреблению при за­ данной температуре. Если это равенство нарушается, то температура в печи начинает падать, двигатель М2 включается и начинает плавно увеличивать мощность печи. По мере увеличения мощности падение температу­ ры в печи замедляется и прекращается в тот момент, когда мощность печи сравнивается с новой мощностью потребления. Так как при этом температура печи ниже заданной, то увеличение подаваемой в печь мощности продолжается. С течением времени ее величина стано­ вится больше потребления и температура начинает рас­ ти и достигает заданного значения. Так как с этого момента увеличение~мощности прекращается, а темпера­ тура продолжает расти, так как величина подаваемой мощности больше потребления ее, то двигатель М2 на­ чнет вращаться в другую сторону и мощность печи ста­ нет постепенно уменьшаться. Повышение температуры при этом замедляется и прекращается, когда потребляе­ мая мощность сравняется с подаваемой. Таким образом, при регулировании этим способом неизбежен колеба­ тельный процесс, хотя амплитуды могут быть невелики. Основным преимуществом регулятора этого типа явля­ ется астатический характер регулирования, т. е. регу­ лятор не требует настройки кроме установки темпера­ турного задания. Процесс регулирования будет проте­ кать до тех пор, пока температура не достигнет задан­ ного значения.

Регулирование по второму методу может быть осу­ ществлено астатическим интегральным регулятором. На