книги / Теплотехнические измерения и приборы

батарей, на которую подается поток лучистой энергии, зачернена платиновой чернью.

Свободные концы термоэлектрических преобразователей термо­ батареи находятся обычно в тепловом контакте с корпусом первич­ ного преобразователя (телескопа), градуировка и поверка которого производятся при температуре 20±2°С. При отклонениях темпе­ ратуры корпуса телескопа от градуировочной температуры пока­ зания пирометра будут неправильными. Возникающие при этом дополнительные погрешности могут достигать больших значений. Для снижения этого вида погрешностей измерения первичные преобразователи пирометров снабжаются различными устройст­ вами температурной компенсации.

На рис. 7-6-3, а приведена схема, иллюстрирующая распростра­ ненный способ температурной компенсации с помощью электриче­ ского шунта Яш, изготовляемого из меди или никеля. Резистор Rm, шунтирующий термобатарею с сопротивлением /?т, помещают в корпусе первичного преобразователя рядом со свободными кон­ цами термоэлектрических преобразователей термобатареи. В за­ висимости от значения термо-э. д. с. Ег термобатареи ток /, проте­ кающий в ее цепи, создает на резисторе Rm падение напряжения

которое измеряется с помощью прибора ИП. При возрастании тем­ пературы корпуса преобразователя пирометра и соответствующем увеличении сопротивления резистора RmJ как видно из выражения (7-6-1), падение напряжения. U повышается и благодаря этому создается возможность (при правильно выбранном начальном зна­ чении Rm) значительно скомпенсировать уменьшение термо-э. д. с.

Рассмотренный способ температурной компенсации с помощью медного резистора применяют в отечественном первичном преобра­ зователе пирометра полного излучения (радиационного пирометра) типа РАПИР и в ряде пирометров, выпускаемых зарубежными фирмами.

Рассмотрим другой распространенный способ температурной компенсации с помощью биметаллического компенсатора, устрой­ ство которого схематично показанр на рис. 7-6-3, б. В пазах корпуса компенсатора 1 первичного преобразователя расположены четыре биметаллические пластины 2, прикрепленные одним концом к его корпусу. К свободным концам биметаллических пластин прива­ рены тонкие профилированные заслонки 3, частично перекрывающие площадь отверстия диафрагмы 4 перед термобатареей. При повыше­ нии температуры корпуса первичного преобразователя биметалли­ ческие пластины деформируются и постепенно выводят заслонки из отверстия диафрагмы, вследствие чего увеличивается поток лу-

чистой энергии, попадающей на рабочую поверхность термобатареи. Это позволяет компенсировать уменьшение термо-э. д. с. термоба­ тареи, обусловленное нагреванием корпуса первичного преобразо­ вателя, а вместе с тем и свободных концов термоэлектрических преобразователей термобатареи. Такой способ температурной ком­ пенсации применен в первичном преобразователе пирометра типа ПРК-600.

Дополнительная погрешность первичного преобразователя пи­ рометров полного излучения вызвана отклонением температуры его корпуса от градуировочной (20±2°С), не превышает приве­ денных ниже значений (ГОСТ 6923-74).

Эти данные говорят о том, что первичные преобразователи пиро­ метров даже при наличии температурной компенсации характери­ зуются значительными допускаемыми дополнительными погрешно­ стями, а применяемые в первичных преобразователях пирометров способы температурной компенсации требуют дальнейшего усо­ вершенствования. В. промышленных условиях для снижения изме­ нений показаний, вызываемых нагревом корпуса первичного пре­ образователя, последний помещается в защитный кожух, охлажда­ емый проточной водой.

При измерении температуры пирометром полного излучения наводка первичного преобразователя производится при помощи визирного устройства 4 (рис. 7-6-1). В целях защиты глаза при на­ водке на излучатель, имеющий высокую температуру, перед линзой устанавливают цветное защитное стекло 5. При наводке первичного преобразователя пирометра необходимо добиться такого положе­ ния, чтобы видимое через окуляр изображение объекта полностью перекрывало отверстие диафрагмы перед термобатареей. При пра­ вильной фокусировке преобразователя пирометра рабочая поверх­ ность термобатареи находится в центре видимого изображения.

Минимальный размер излучателя, при котором изображение его полностью перекрывает отверстие диафрагмы перед термобата­ реей, определяется углом визирования объектов пирометрических преобразователей. Угол визирования объектов пирометрических преобразователей характеризуется значением показателя визиро­ вания, т. е. отношением диаметра круга D, вписанного в проекцию контура излучателя на плоскость, перпендикулярную оптической оси преобразователя, к расстоянию от излучателя до объектива преобразователя L, при котором изображение излучателя полностью перекрывает отверстие диафрагмы перед термобатареей.

Так как значение показателя визирования зависит от расстояния между излучателем и объективом, первичные пирометрические преобразователи принято характеризовать номинальным показа­ телем визирования, который определяется на расстоянии L = 1000мм.

Пирометрические преобразователи в зависимости от значения номинального показателя визирования DIL подразделяются: на широкоугольные — показатель визирования более 1/1в, на узко­ угольные — показатель визирования 1/16 и менее.

При применении различных типов первичных преобразователей пирометров полного излучения необходимо иметь в виду, что они являются в той или иной степени селективными приемниками из­ лучения. Вследствие этого пирометры различных типов, дающие одинаковые показания при наведении на черное тело, будут давать различные показания при измерении температуры селективного излучателя.

Первичные пирометрические преобразователи типа ТЕРА-50. Преобразователи (телескопы) ТЕРА-50 пирометров полного излу­

чения (радиационных пирометров) типа РАПИР позволяют изме­ рять температуру поверхности нагретых тел от 400 до 2500°С. Пер­ вичные преобразователи ТЕРА-50 снабжены объективами с номи­ нальным показателем визирования 1/20 или 1/7. Таким образом, при расстоянии излучателя от объектива L =-• 1000 мм узкоугольный телескоп воспринимает излучение с поверхности нагретого тела диаметром 50 мм, а широкоугольный 143 мм.

Устройство узкоугольного пирометрического преобразователя

рея; 4 — компенсационный медный резистор, шунтирующий термо­ батарею (см. рис. 7-6-3, а)\ 5 — корпус термобатареи, состоящий из основания с укрепленной на нем термобатареей, и фланца с резь­ бовым отростком; 6 — подвижная диафрагма; 7 — неподвижная диафрагма; 8 — линза визирного устройства; 9 — защитное стекло; 10— крышка; 11— контактный винт; 12— штуцер для вывода про­ водов; 13— фланец для крепления телескопа к защитной арматуре.

В целях получения стандартной градуировочной характери­ стики пирометрических преобразователей на заводе-изготовителе производят подгонку напряжения на его зажимах, перемещая диафрагму 6 вдоль резьбового отростка фланца. Для этой цели на наружной поверхности подвижной диафрагмы сделан зубчатый венец, зубья которого постоянно сцеплены с зубьями трибки 14. При помощи трибки производится перемещение диафрагмы вдоль резьбового отростка фланца. Вращение трибки при градуировке производится вручную отверткой со стороны основания корпуса термобатареи, куда выведена ось трибки со шлицем. После градуи­

в качестве объектива двояковыпуклая линза 2 с фокусным рас­

в комплекте с милливольтметрами (одним или двумя) или с милли­ вольтметром и одним автоматическим потенциометром, а также с одним или двумя автоматическими потенциометрами.

В последнем случае для обеспечения единства градуировки и взаимозаменяемости пирометрических преобразователей необхо­ димо учитывать, что милливольтметры работают с потреблением мощности. Поэтому градуировка этих преобразователей произво­ дится при максимальной расчетной внешней его нагрузке, т. е. при включении телескопа через линии проводов, имеющие предельно допускаемые расчетные значения сопротивления, одновременно на два милливольтметра, подключенных параллельно. При таком включении милливольтметров будет иметь место наибольшее рас­ четное допускаемое снижение градуировочной характеристики по сравнению с градуировочной характеристикой ненагруженного пирометрического преобразователя.

При установке пирометра РАПИР доведение внешней нагрузки первичного преобразователя до заданного значения независимо от реального сопротивления линии того или иного сочетания вто­ ричных приборов осуществляется с помощью панели ПУЭС-64 с уравнительными и эквивалентными манганиновыми резисторами. Эту панель, входящую в комплект пирометра, обычно называют панелью взаимозаменяемости.

Известно, что при измерении пирометрами полного излучения температур реальных тел показания их оказываются занижен­ ными (Тр < Т) на значение тем большее, чем выше измеряемая температура и чем ниже коэффициент излучения ет. Методическая погрешность пирометра, возникающая вследствие этих причин, может быть скорректирована для конкретных условий, если имеется возможность с достаточной точностью определить значение коэф­

фициента излучения или измерить действительную температуру объекта каким-либо другим прибором, например термоэлектриче­ ским термометром. Для целей корректировки милливольтметры и автоматические потенциометры (рис. 4-18-1, а), предназначенные для работы с преобразователями пирометров, снабжаются коррек­ тирующими резисторами.

При корректировании показаний пирометра рассматриваемым способом необходимо учитывать, что между напряжением на зажи­ мах телескопа и радиационной температурой объекта не имеется линейной зависимости. Поэтому переход от отсчитанного по шкале прибора значения радиационной температуры объекта к его дей­ ствительной температуре для всех точек шкалы не может быть осу­ ществлен прямым изменением сопротивления корректирующего резистора. Этот способ позволяет корректировать показания пиро­ метра только в какой-либо одной точке шкалы прибора и может быть, следовательно, использован только при измерении стацио­ нарных температур объектов. Если при измерении меняющихся температур корректирование выполнено по одной точке шкалы, то по мере отклонения показаний прибора от этой точки возникает все увеличивающаяся погрешность определения действительных температур.

В автоматических потенциометрах корректирующий резистор включен в его измерительную схему (рис. 4-18-1, а). Резистор i?Kp, ручка которого вынесена на лицевую панель потенциометра, поз­ воляет изменять приведенное сопротивление реохорда измеритель­ ной схемы, а следовательно, чувствительность и в конечном счете диапазон измерения прибора.

Основные методические указания по применению пирометров полного излучения. При измерении температуры с помощью пиро­ метра полного излучения могут возникать методические погрешности вследствие ряда причин. Наиболее существенной методической погрешностью является погрешность, возникающая при переходе от радиационной к действительной температуре тела, которая осу­ ществляется с помощью формулы (7-2-19). Надежность определе­ ния по этой формуле действительной температуры тела по его радиа­ ционной температуре зависит от погрешности значения коэффици­ ента излучения ет. Подбор этого значения по имеющимся в лите­ ратуре таблицам может быть произведен с погрешностью не менее ±10—20%, а в некоторых случаях она может быть значительно больше (±30—50%). Наличие такой погрешности объясняется тем, что значение гтзависит от химического состава тела, температуры и состояния поверхности излучателя. На значение &тметалличе­ ской поверхности сильно влияет степень ее окисленности. Коэф­ фициент излучения окисленной поверхности всегда выше, чем неокисленной. Например, для неокисленного никеля при 1200°С етæ 0,063, а при той же температуре для окисленного никеля гт= = 0,85. Следует также указать, что шероховатые поверхности об­ ладают большим значением гТ9 чем гладкие.

Погрешность в подборе значения гтвызывает методическую по­ грешность в определении действительной температуры реального тела по его радиационной температуре, полученной в результате измерения. Эта погрешность может быть вычислена по формуле, полученной логарифмированием и последующим дифференциро­ ванием уравнения (7-2-19):

( 7 ' 6 ‘ 2 )

Рассмотрим примеры, характеризующие погрешность, вызванную неточ­ ностью определения г Г Полагая Т — 1200 К и Ает/ет= ±0,1, получим АТе =

= ±30 К, а при той же температуре и А г т ^гт = ±0,15 значениепогрешности

Такого вида методическая погрешность может быть значитель­ ной особенно при визировании первичного преобразователя пиро­ метра на открытую поверхность тела, например при измерении температуры металла во время прокатки, ковки и т. п.

Если преобразователь пирометра визируется на внутреннюю поверхность огнеупорной кладки печи через отверстие в ее стенке или через специальную фурму, установленную для этой цели в стенке или своде печи, и внутренние поверхности кладки печи имеют практически одинаковую температуру, то закрытое печное прост­ ранство по свойствам излучения близко к полости черного тела. В этом случае показания пирометра в пределах погрешностей изме­ рений совпадают с показаниями термоэлектрического термометра, введенного в печное пространство, или с показаниями оптического пирометра, наведенного на ту же поверхность.

Такие же условия будут иметь место при измерении действитель­ ной температуры внутри печи, если первичный преобразователь визируется на дно огнеупорной трубки (карборундовой, стальной или из другого материала), введенной через стенку внутрь печи на достаточную глубину. Требования к глубине погружения огне­ упорной трубки, а следовательно, и к ее геометрическим размерам, те же, что и для полости, показанной на рис. 7-3-6.

Методические погрешности при измерении температур объектов пирометром полного излучения могут возникать также вследствие влияния водяных паров и углекислоты в слое воздуха, находящегося между объектом и преобразователем. Это влияние обусловливается поглощением водяными парами и углекислым газом лучистой энер­ гии в некоторых участках инфракрасной области спектра. Следует отметить, что показания пирометра очень чувствительны к запылен­ ности и задымленности воздуха, находящегося между пирометри­ ческим преобразователем и объектом. В этом случае также может иметь место методическая погрешность, обусловленная ослаблением всех длин волн спектра пучка лучей, идущих от объекта к преоб-

разователю вследствие рассеяния его на крупных частицах (копоти, пыли), взвешенных в слое воздуха между преобразователем и объек­ том.

При измерении температуры кладки печи и в других подобных случаях для удаления дыма, копоти и пыли из пространства визир­ ной трубы или фурмы перед пирометрическим преобразователем производят отдувку сжатым воздухом. В некоторых случаях во внутреннюю полость визирной арматуры подают сжатый воздух низкого давления или инертный газ для создания противодавления, препятствующего проникновению дыма, пыли и копоти через ви­ зирную трубу или фурму из рабочего объема печи. В том и другом случае воздух должен быть очищен от пыли, масла и влаги соответ­ ствующими фильтрами.

Другая причина дополнительных погрешностей, на которую необходимо обратить внимание, связана с нагревом корпуса преоб­ разователя вследствие теплообмена с окружающим его воздухом и телами и за счет поглощения излучения источника, температура которого измеряется. Чтобы избежать этих погрешностей, приме­ няют специальную защитную арматуру с водяным охлаждением.

Устройство защитной арматуры первичного преобразователя пирометра, разработанной с расчетом обеспечить возможность применения его в различных условиях эксплуатации, защищая преобразователь от пыли, дыма, действия высоких температур окружающего воздуха, бросков пламени из печи и т. д., описы­ вается в монтажно-эксплуатационных инструкциях на пирометры.

•При измерении температуры пирометрами полного излучения необходимо иметь, в виду, что тепловой баланс между термобатареей, окружающими ее деталями преобразователя и объектом излучения устанавливается не мгновенно. Вследствие этого показания пиро­ метра достигают максимального значения только через какой-то промежуток времени. Для первичных преобразователей пирометров различных типов согласно проведенным исследованиям [40] время установления показаний без учета инерционности вторичного при­ бора колеблется от 0,53 до 27,6 с в интервале температур визируемого тела от 1000 до 1700°С#

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И СХЕМЫ ДИСТАНЦИОННОЙ ПЕРЕДАЧИ ПОКАЗАНИЙ

Г Л А В А В О С Ь М А Я

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И СХЕМЫ ДИСТАНЦИОННОЙ ПЕРЕДАЧИ ПОКАЗАНИЙ

8-1. Общие сведения

Из числа применяемых средств измерений для автоматизации современных промышленных установок особое место занимают изме­ рительные преобразователи и измерительные устройства (первичные и другие приборы). Эти средства измерений, предназначенные для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для дистанционной передачи, дальнейшего преобразования и обра­ ботки, выполняются на базе унифицированных элементов, узлов, блоков и приборов.

Одним из важных признаков современных измерительных пре­ образователей, первичных и других приборов ГСП по сравнению с подобными средствами измерений прежних разработок является унификация их выходных сигналов (гл. 1). Это в свою очередь позволяет унифицировать входные сигналы вторичных и регулирую­ щих приборов. Унификация выходных и входных сигналов обеспе­ чивает взаимозаменяемость передающих преобразователей, измери­ тельных устройств, вторичных приборов и других устройств авто­ матизации и возможность резкого сокращения номенклатуры (раз­ нообразия) вторичных приборов.

Унификация выходных и входных сигналов средств измерений и их элементов, узлов и блоков существенно повышает надежность действия дистанционной передачи, устройств защиты и обработки измерительной информации, а также открывает широкие перспек­ тивы применения средств вычислительной техники.

Ниже будут рассмотрены измерительные преобразователи, ши­ роко применяемые в измерительных устройствах и вторичных при­ борах, а также типовые схемы дистанционной передачи сигнала измерительной информаций измерительных устройств на вторичный прибор. В этой главе рассматриваются передающие преобразователи с унифицированным выходным сигналом переменного и постоянного тока, преобразователи с унифицированным пневматическим выход­ ным сигналом и некоторые типы промежуточных (нормирующих) преобразователей, предназначенных для преобразования выходного сигнала таких первичных преобразователей, как термоэлектрические

термометры и термометры сопротивления, в унифицированный сиг* нал постоянного тока.

Рассматриваемые ниже электрические аналоговые измеритель­ ные преобразователи и дистанционные передачи широко исполь­ зуются для централизации управления и контроля за ходом техно­ логического процесса, режимом работы агрегатов (установок) в энергетике, а также в других отраслях промышленности. Описывае­ мые ниже средства измерений применяют для выработки и передачи сигнала измерительной информации по линиям связи, как правило, на небольшие расстояния (0,3—0,8 км).

Измерительные преобразователи с унифицированным пневма­ тическим сигналом широко применяют в химической, пищевой и в других отраслях промышленности, где электрические аналоговые преобразователи применять нецелесообразно.

Следует отметить, что для создания современных автоматизиро­ ванных систем управления технологическими процессами в энер­ гетике и в других отраслях промышленности наиболее перспективны преобразователи и измерительные устройства с унифицированным выходным сигналом постоянного тока. Использование постоянного тока позволяет избавиться от влияния индуктивности и емкости линии связи, повышает помехостойкость линии связи и обеспечи­ вает их достаточную протяженность. Не менее важным фактором является также возможность использования зарекомендовавших себя вторичных приборов постоянного тока, регулирующих прибо­ ров и средств вычислительной техники с входными сигналами по­ стоянного тока.

8-2. Реостатные измерительные преобразователи и схемы дистанционной передачи

Реостатные измерительные преобразователи применяют в каче­ стве передающих, а в мостовых измерительных схемах дистанцион­ ной передачи сигналов измерительной информации также и в ка­ честве следящих. Реостатные передающие преобразователи предназ­ начены для преобразования угловых и линейных перемещений вы­ ходных кинематических устройств измерительных приборов в элек­ трический сигнал, передаваемый в линию дистанционной передачи. Переменным параметром передающих реостатных преобразователей является активное сопротивление, распределенное линейно или по некоторому закону по пути движка.

Реостатные передающие преобразователи обычно изготовляют из тонкой проволоки, намотанной на каркас из пластмассы или на изолированную проволоку (по типу реохорда автоматических по­ тенциометров). В качестве материала для проволоки применяют манганин, константан и другие металлы. За последнее время для изготовления реостатных преобразователей по типу реохорда при­ меняют проволоку из сплава ПдВ-20 (палладий — вольфрам).

Подвижный контакт реостатного преобразователя может быть образован скользящей контактной щеткой (плоской пружиной, про­ волокой), скользящим пружинистым контактом (у преобразователей по типу реохорда). Надежность контакта обеспечивают примене­ нием высокого качества материала, чистотой контактных поверх­ ностей, защитой от загрязнений, достаточным контактным давле­ нием и стойкостью материала против истирания.

S

Рис. 8-2-1. Реостатный преобразователь.

/ — рабочая спираль; 2 — токоотвод; 3 — полиамидные колодки с канавками; 4 ~ кор­ пус; 5 — пружины и гайки; 6 — выводные проводники.

Реостатные передающие преобразователи, устанавливаемые в одноточечных приборах типа КП1, КС1, КС2 и КС4, имеют две спи­ рали, одна из которых является рабочей, а другая закороченная — токоотводящей. Рабочая спираль выполняется из проволоки ПдВ-20, намотанной с определенным шагом на основание из изолированной проволоки ПЭВ-2 диаметром 2 мм. Токоотводящая спираль выпол­

няется также из проволоки ПдВ-20, намо­

ля, устанавливаемого в приборах КСП4, КСМ4 и КСУ4, показана на рис. 8-2-1. Подвижный контакт реостатного преобразователя, вы­ полняемый из сплава золото — серебро — медь, укреплен на одной каретке с контактом измерительного реохорда (на рис. 8-2-1 подвиж­ ные контакты не показаны). Таким образом, каждому значению измеряемой величины соответствует определенное положение по­ движного контакта реостатного преобразователя.

Для подгонки приведенного сопротивления передающего пре­ образователя до заданного значения R'np параллельно рабочей спирали, имеющей сопротивление Rp,c, подключен шунтирующий манганиновый резистор R'm (рис. 8-2-2). В схему реостатного пре­ образователя включаются резисторы RI и Rî, выполненные из манганиновой проволоки.