книги из ГПНТБ / Кулаков М.В. Технологические измерения и приборы для химических производств учебник

где епр — приведенный относительный коэффициент лучеиспуска­ ния (приведенная степень черноты) поверхностей за­

где С — СqB.

Если допустить, что утечка тепла через защитную трубку отсутствует, то количество тепла (при установившемся состоянии), полученное поверхностью защитной трубки от газа, равно коли­ честву тепла, отдаваемому ею (поверхностью) стенкам трубы. Переходя к удельным тепловым потокам q и qn и приравнивая их, получим

Разность tr— t и составляет ошибку измерения, связанную с лучистым теплообменом между термопреобразователем и стен­ ками трубы.

Анализ уравнения (75) показывает, что ошибка измерения уменьшается с уменьшением С, поэтому защитная трубка должна иметь блестящую (полированную) поверхность. Ошибка умень­ шается также с увеличением а, поэтому желательно, чтобы ско­ рость измеряемого газа вблизи термопреобразователя была ма­ ксимальной.

Наконец, величина ошибки зависит и от разности температур термопреобразователя и стенки трубопровода. Уменьшение ошибки в этом случае достигается тепловой изоляцией трубопро­ вода на том участке, где установлен измеритель температуры. Еще больше можно уменьшить ошибку, вызванную разностью

90

температур защитной трубки и стенки трубопровода, если вокруг защитной трубки установить экран из тонкого металлического листа. Тогда лучистый теплообмен защитной трубки происходит не с поверхностью стенки трубопровода, а с поверхностью экрана, температура которой выше, чем температура стенки трубопровода. Если по трубопроводу протекает жидкость, то ошибка из-за лучеиспускания отсутствует.

Креме погрешностей, вызванных лучистым теплсобменом, могут возникать погрешности вследствие отвода тепла по защит ной трубке к более холодным стенкам трубы.

Ошибка, вызванная утечкой тепла через защитную труб1у и арматуру измерителя (термопреобразователь рассматривается как однородный стержень конечной длины и постеянногс сечения),

где t 0 — температура стенки, в ксторой закреплен верхний конец защитной трубки, в °С;

л= У %

здесь а — коэффициент теплоотдачи от газа к защитной трубке; d — наружный диаметр защитной трубки;

/ — длина погруженной части защитной трубки;

трубки.

Как видно из уравнения (76), для уменьшения ошибки изме­ рения необходимо:

1) уменьшить величину разности температур tr — t0 путем изоляции трубопровода на участке установки термопреобразова­ теля;

2) увеличить длину погружения термопреобразователя в изме­ ряемую среду;

3) увеличить А (увеличить а, увеличить — , т. е. уменьшить

толщину стенок защитной трубки, уменьшить Я).

Если защитная трубка выступает над поверхностью стенки трубопровода, то количество тепла, уходящего по трубке в окру­ жающую среду, увеличится. Для уменьшения потерь тепла высту­ пающая часть трубки должна быть короткой, ее нужно изоли­

ровать.

Опыт показывает, что при достаточной глубине погружения термопреобразователя в измеряемую среду можно вовсе не учиты­ вать погрешности, вызванные утечкой тепла по защитной трубке.

Общих правил установки термопреобразователя не существует. Можно указать лишь на те правила, которые необходимо выпол­ нять при установке термопреобразователей.

91

При измерении температуры газов или паров, протекающих по трубопроводу, все виды термопреобразователей следует рас­ полагать против направления потока в его центре, где скорость максимальна. В этом случае коэффициент теплоотдачи в месте соприкосновения потока с термопреобразователем возрастает

из-за разрушения пограничного слоя. Радиальное расположение термопреобразователя допустимо лишь в том случае, когда воз­ можно его погружение на доста­ точную глубину (в газопроводах большого диаметра). Если термо­ преобразователь невозможно уста­ новить против потока, то следует устанавливать его наклонно к оси трубопровода.

В тех случаях, когда скорость газовых потоков мала (измерение температуры газа в газоходах) и передача тепла термопреобразова­ телю незначительна вследствие малой величины коэффициента теплоотдачи, прибегают к искус­ ственному повышению скорости газа путем применения термопре­ образователя с отсосом (рис. 53).

Термопара 1 вставлена в трубу 2, которая покрыта тепловой изо­ ляцией, заключенной в чехол 3. Газ отсасывается с большой

скоростью через трубу 2 эжектором 4 или другим путем.

При измерении температуры жидкостей необходимо соблюдать те же правила, что и при измерении температуры газов и паров. Однако при измерении температуры жидкостей условия значи­ тельно благоприятнее, так как отсутствует лучеиспускание, а коэффициент теплоотдачи для жидкостей сравнительно высок.

Глава VI

Пирометры излучения

§ 24« Теоретические основы измерения температуры

Пирометры излучения основаны на использовании теплового излучения нагретых тел. По сравнению с приборами, основанными на других методах измерения температуры, пирометры излучения имеют следующие преимущества:

92

а) измерение основано на бесконтактном способе, следова­ тельно, отсутствует искажение температурного поля, вызываемое введением преобразовательного элемента прибора в измеряемую среду;

в) верхний предел измерения температуры теоретически не ограничен;

в) имеется возможность измерения температур пламени и вы­ соких температур газовых потоков при больших скоростях, когда встречаются трудности при использовании других методов.

Лучистая энергия выделяется нагретым телом в виде волн различной длины. При сравнительно низких температурах (до 500° С) нагретое тело испускает инфракрасные лучи, не воспри­ нимаемые человеческим глазом. По мере повышения температуры цвет тела от темно-красного доходит до белого, содержащего волны всех воспринимаемых глазем длин.

Одновременно с повышением температуры нагретого тела и изменением его цвета быстро возрастает интенсивность монохро­ матического (одноцветного) излучения, т. е. излучение опреде­ ленной длины волны (яркости), а также заметно увеличивается суммарное (интегральное) излучение (радиация). Эти два свойства нагретых тел используются для измерения их температуры и в со­ ответствии с этими свойствами пирометры излучения делятся на

оптические и радиационные.

Все реальные физические тела обладают способностью отра­ жать часть падающих на них лучей.

В природе нет абсолютно черных тел, но есть тела, близкие к абсолютно черному телу. Так, например, тело, покрытое черной шероховатой краской (нефтяной сажей), поглощает до 96% всей лучистой энергии. Свойством абсолютно черного тела обладают также отверстия в замкнутой полости (топки печей, топки паровых котлов и др.) с непрозрачными и равномерно нагретыми стенками. Это объясняется тем, что все лучи, попадающие в такое отверстие извне, практически полностью поглощаютей внутри тела вслед­ ствие многократного отражения их от внутренней поверхности. Коэффициент лучеиспускания реальных тел меньше единицы, причем он зависит как от природы данного тела, так и от состоя­ ния его поверхности.

Интенсивность монохроматического и интегрального излуче­ ний зависит от физических свойств вещества; поэтому шкалы

сповышением температуры различно для волн различных длин

ив области сравнительно невысоких температур для абсолютно черного тела описывается уравнением Вина:

с2

9 3

Поскольку интенсивность излучения неодинакова для различ­ ных длин волн, уравнение Вина применяется в оптической пиро­ метрии для волн определенной длины (обычно для красного цвета длиной волны 0,65 или 0,66 мкм).

Уравнением Вина можно пользоваться до температуры при­ мерно 3000 К. При более высоких температурах интенсивность

излучения абсолютно черного тела характеризуется уравнением Планка:

здесь все обозначения соответствуют принятым в уравнении (77). Интегральное излучение абсолютно черного тела опреде­

ляется уравнением Стефана—Больцмана:

пирометром излучения получают так называемую кажущуюся тем­

Если сравнить интенсивность излучения Ех реального (серого) тела при определенной длине волны X с интенсивностью излуче­ ния Еох абсолютно черного тела при той же длине волны, то их отношение будет выражать степень черноты тела при определен­

Абсолютно черное тело при яркостной температуре ТК и длине волны X будет иметь яркость В оХ. Такую же яркость при той же длине волны X имеет реальное тело при температуре Т, т. е.

Вцт)=Вох(тку

9 4

Яркость тела Вх прямо пропорциональна интенсивности излу­ чения Ех, следовательно,

Сравнивая правые части уравнений (82) и (83) и логарифми­ руя их, получим уравнение для вычисления действительной температуры Т физического тела по яркостной (кажущейся) температуре Гк, измеренной оптическим пирометром;

где Т — истинная температура тела в К; Тк — яркостная (кажущаяся) температура тела в К, изме­

ренная оптическим пирометром; X — длина волны в мкм;

С2— константа уравнения Вина;

—степень черноты тела для данной длины волны. Радиационная температура реального тела численно равна

температуре абсолютно черного тела, при которой интегральные

излучения обоих тел одинаковы.

Интегральное излучение реального тела, нагретого до темпе­

Интегральное излучение абсолютно черного тела, если тем­ пература его совпадает с радиационной температурой Тр, равна

95

Учитывая, что Е — Е 0, и сравнивая правые части уравне­ ний (84) и (85), получим формулу для определения действительной температуры реального тела:

пература тела, измеренная пирометром излучения, всегда меньше его истинной температуры.

Для большинства реальных тел коэффициент е меньше коэф­ фициента еъ поэтому числовая разница между истинной и ра­ диационной температурами реального тела больше, чем между истш ной и яркостной температурами.

Коэффициенты черноты гг и е для различных материалов приводятся в справочной литературе. Однако при пользовании справочными данными следует учитывать, что в различных кон­ кретных условиях измерения одно и то же тело может обладать коэффициентом черноты, значительно отличающимся от таблич­ ных (еЛ и е зависят от состояния ш верхности тела и температуры).

Поэтому в подавляющем большинстве случаев из-за трудности определения действительных значений ех и е измеряемого тела температурный контроль производится только по кажущейся (яркостной) иди радиационной температуре, т. е. без введения поправок на неполноту излучения.

§ 25* Оптические пирометры

Принцип действия оптических пирометров основан на сравне­ нии яркости монохроматического излучения двух тел: эталонного тела и тела, температура которого измеряется. В качестве эталон-

Рис. 54. Схема оптического пирометра с исчезающей нитью:

ного тела обычно используется нить лампы накаливания, яркость излучения которой регулируется.

Наиболее распространенным прибором этой группы является

96

монохроматический оптический пирометр с исчезающей нитью,

принципиальная схема которого приведена на рис. 54. Пирометр представляет собой телескопическую трубку с лин­

зой 1 объектива и линзой 2 окуляра. Внутри телескопической трубки в фокусе линзы объектива находится пирометрическая лампа накаливания 3 с подковообразной нитью. Лампа питается от аккумулятора 4 через реостат 5. В цепь питания пирометри­ ческой лампы включен милливольтметр 6, конструктивно объеди­ ненный с трубкой телескопа. Шкала милливольтметра градуи­ рована в градусах температуры. Для получения монохромати­ ческого света окуляр снабжен красным светофильтром 7, пропу­ скающим только лучи определенной длины волны. В объективе находится серый поглощающий светофильтр 8, служащий для расширения пределов измерения.

Объектив и окуляр прибора могут перемещаться вдоль оси в телескопической трубке, что позволяет получить резкое изобра­ жение раскаленного тела и нити. При подготовке оптической системы к измерению трубку наводят на тело и передвигают объектив до получения четкого, ясного изображения тела и нити лампы (в виде резкой черной подковки).

Включив источник тока, реостатом регулируют яркость нити до тех пор, пока средняя часть ее не сольется с освещенным телом. В этот момент по шкале милливольтметра отсчитывают темпера­ туру тела.

Стабильность показаний оптического пирометра с исчезающей нитью зависит главным образом от постоянства характеристик пирометрической лампы и измерительного прибора. Пирометри­ ческая лампа с вольфрамовой нитью в течение очень длительного периода сохраняет присущую ей зависимость яркости нити от величины протекающего через нее тока, если температура не пре­ вышает 1400° С.

Нагрев до температуры выше 1400° С приводит к распылению вольфрамовой нити и изменению ее сопротивления; возгоняющийся вольфрам оседает на стенках колбы лампы и образует темный налет. По этим причинам яркостная характеристика лампы изме­ няется.

Пределы измерения повышают введением серого светофильтра, который в одинаковой степени поглощает энергию волн всех длин. Стекло серого светофильтра выбирают такой оптической плот­ ности, чтобы при яркостной температуре излучателя выше 1400° С нить пирометрической лампы нагревалась до яркостных темпе­ ратур не выше 1400° С. В соответствии с 'этим милливольтметрснабжают двумя шкалами: верхней — для измерения температур от 800 до 1400° С без серого светофильтра и нижней — для тем­ ператур выше 1300° С с введенным серым светофильтром.

Приборостроительная промышленность выпускает переносные оптические пирометры с исчезающей нитью в различном конструк­ тивном оформлении для температур от восьмисот до нескольких

тысяч градусов. Пирометры работают с эффективной длиной волны 0,65 или 0,66 мкм.

В отличие от оптических пирометров с исчезающей нитью

оптические пирометры с фотоэлементом (фотоэлектрические пиро­ метры) позволяют записывать показания и передавать их на рас­ стояние. Эти приборы можно применять для измерения темпера­ туры при быстропротекающих процессах.

Принцип действия фотоэлектрического пирометра основан на свойстве фотоэлемента изменять фототок в зависимости от интен­

На рис. 55 показана принципиальная схема фотоэлектриче­ ского пирометра (типа ФЭП), в котором используется отрицатель­ ная обратная связь 1 по световому потоку. Эта связь осуще­ ствляется путем освещения фотоэлемента лампой накаливания, яркость которой является функцией напряжения на выходе электронного усилителя. Световой поток от излучающего тела концентрируется линзой / и через верхнее отверстие кассеты крас­ ного светофильтра 2 попадает на вакуумный сурьмяно-цезиевый фотоэлемент 3. На фотоэлемент через нижнее отверстие кассеты попадает также световой поток от лампы накаливания 4. Попере­ менное освещение фотоэлемента световым потоком то от излуча­ ющего тела, то от лампы накаливания обеспечивается вибриру­ ющей с частотой 50 Гц заслонкой 5 модулятора света, установлен-

1 Отрицательной обратной связью называется такое соединение двух эле­ ментов, при котором сигнал с выхода одного элемента подается на вход другого с обратным знаком.

98

ной перед кассетой светофильтра. Конфигурации вибрирующей заслонки и отверстий в кассете светофильтра выбраны так, что на фотоэлемент попадают синусоидальные изменяющиеся световые

потоки обоих источников излучения. При этом фазы обоих свето­ вых потоков сдвинуты на 180°.

Результирующий ток, получающийся на выходе фотоэлемента, создает на сопротивлении R синусоидальное падение напряжения,' которое^ через конденсатор С подается на трехкаскадный элек­ тронный усилитель напряжения 6.

Переменная составляющая фототока, пропорциональная раз­ ности световых потоков, усиливается усилителем 6 и подается через фазочувствительный детектор 7 на электронную лампу. Ток этой лампы является выходным параметром. В анодную цепь электронной лампы включена лампа 4 отрицательной обратной связи по световому потоку, охватывающей фотоэлемент и элек­ тронный усилитель. Эта отрицательная обратная связь делает работу пирометра малозависящей от изменения коэффициентов усиления отдельных каскадов и чувствительности фотоэлемента, а также от напряжения источника питания. Пределы измерения пирометра 800—4000 °С; при замене диафрагмы в объективе пределы измерения прибора изменяются. Основная погрешность ±1% от верхнего предела измерения.

Вторичным прибором в пирометре служит быстродействующий самопишущий электронный потенциометр.'

§ 26. Цветовые пирометры

При повышении температуры абсолютно черного тела область спектра, обладающая максимальной энергией, смещается в на­ правлении малых длин волн (рис. 56). Это явление приводит к по­

Закон смещения Вина, получаемый дифференцированием урав­ нения (77) по Я и приравниванием производной нулю, применим и для физических тел. Пользуясь законом смещения Вина, по положению максимума можно определить абсолютную темпера­ туру тела. Этот метод и используется в цветовых пирометрах.

7*

9 9