Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Системы управления химико-технологическими процессами. Часть 1. Учебное пособие
.pdf
8. Степень воспроизводимости статических характеристик.
9. Влияние эффекта Томпсона.
Временная нестабильность возникает из-за изменения физикохимической однородности электродов (коррозия, деформация и т. п.).
Хорошей временной стабильностью обладают химически чистые металлы.
Влияние магнитных полей связано с эффектом Нернста- Эттингехаузена: если электрический проводник находится в температурном поле ∇t в присутствии поперечного магнитного поля H, то в
нем возникает электрическое поле Eэл=Q
Вывод: при наличии магнитных полей нужно выбирать неферромагнитные проводники, экранировать и по возможности ориентировать
термопару так, чтобы ∙∇t и Н были параллельны, тогда ∙∇t∙Н=0.
Гидростатическое давление существенно влияет на термоЭДС.
Так, для ТХА при давлении 50 кбар ошибка достигает 4 %. Нужно
применять защитный кожух.
Лучше всего воспроизводятся статических характеристики
термопар из химически чистых металлов. Допустимые отклонения
нормируются государственным стандартом. Чем точнее термопара,
тем дороже (цена может отличаться на порядок).
Термопары являются датчиками и не показывают измеренное
значение температуры (ТЭДС), поэтому в комплектах с термоэлектрическими термометрами применяются вторичные показывающие приборы: пирометрические милливольтметры или потенциометры.
При измерении милливольтметром используется метод непосредственной оценки. Пирометрические милливольтметры являются
электро-измерительными приборами магнито-электрической
системы.
В конструкции пирометрических милливольтметров
(рис. 98) можно выделить магнитную и подвижную системы. Первая
состоит из подковообразного магнита 1, полюсных наконечников 2 и
цилиндрического сердечника 3.
∙
∇
t∙В, где Q - коэффициент.
181
1
2
I
Рис. 98. Принципиальная схема милливольтметра
3
Е(tр t0)
4
Кольцевой зазор между сердечником и полюсными наконечниками магнита характеризуется наличием практически равномерного
электромагнитного поля. В этом зазоре соосно с сердечником размещается рамка 4, которая монтируется на кернах, опирающихся на
подпятники, либо на натянутых нитях. Момент сил, противодействующий вращению рамки создается специальными пружинами. С
подвижной рамкой соединена указательная стрелка 5 совмещенная со
шкалой проградуированной в градусах.
Взаимодействие тока I, протекающего по рамке 4 с полем постоянного магнита 2 вызывает появление вращающего момента М, который, будучи уравновешен противодействующим моментом пружин,
поворачивает рамку на определенный угол φ:
М = С·В·I,
где С – константа зависящие от геометрических размеров рамок и
числа витков; В – магнитная индукция.
Угол поворота рамки со стрелкой φ пропорционален величине
протекающего по рамке тока I, который пропорционален термоЭДС
термопары: I = f ((E(tр t0)).
Потенциометры в отличие от милливольтметров работают по
компенсационному (нулевому) методу измерения. Принципиальная
схема потенциометра представлена на рис. 99.
182
Принцип компенсации при измерении ТЭДС заключается в
Е
уравновешивании ее известным напряжением ∆U на калибровочном
резисторе RАВ, созданным вспомогательным источником тока. Ток от
вспомогательного источника Е проходит по цепи, в которую между
точками А и В включен реохорд RAB. Разность потенциалов ΔU пропорционально RАВ (в точке D находится движок реохорда).
Последовательно с термопарой, генерирующей ТЭДС, включен
милливольтметр НП (нуль-прибор) с нулем в середине шкалы. Передвигая движок D реохорда RАВ можно найти такое положение движка, что ΔU и E(tр t0) уравновесятся и НП будет показывать ноль. Если
совместить шкалу проградуированную в градусах с реохордом RАВ,
то положение движка реохорда относительно этой шкалы, покажет
измеряемую температуру.
R
А
АВ
В
D
ΔU
НП
Е(t t0)
Рис. 99. Схема потенциометра
183
Схема автоматического потенциометра (КСП) представлена на
рис. 100.
А
R
р
R
н
В
R
м
R
ш
ИПС
R
п
D
R
к
R
б
R
с
С
Е(tp to)
УЭД
Рис. 100. Схема автоматического потенциометра
Здесь приняты следующие обозначения:
Rp - сопротивление реохорда;
Rш - сопротивление шунта;
Rп - сопротивление для задания пределов измерения;
Rн и Rк - сопротивления для задания начала и конца шкалы;
Rб – балластное сопротивление;
Rс - сопротивление для поверки рабочего тока;
Rм - медное сопротивление для компенсации влияния температуры холодных спаев;
ИПС - источник питания стабилизированный;
УЭД – усилитель электродвигателя.
Потенциометр состоит из моста сопротивлений АВСD, в одну
из диагоналей которого включен источник питания ИПС (диагональ
ВС), а в другую (измерительную диагональ АD) термопара с
ТЭДС Е(tр t0) и электродвигатель с усилителем УЭД. В
вершине А моста находится реохорд Rр, к движку которого прикреплена стрелка, движущаяся вдоль шкалы. Перемещением движка
в свою очередь управляет электродвигатель.
184
Мост может находится в двух состояниях: уравновешенном и
неуравновешенном. Когда мост находится в равновесии, то напряжение между его вершинами AD равно по модулю термоЭДС (UAD = Е)
и напряжение небаланса ΔU, подаваемое на усилитель УЭД, равно
нулю:
ΔU = UAD – Е = 0.
В данном состоянии ЭД не работает. Если по каким-либо причинам термоЭДС Е изменится, то мост выходит из равновесия и на
входе усилителя УЭД появится напряжение небаланса ΔU ≠ 0. Уси-
литель, усилив напряжение, подает его на ЭД (электродвигатель), который, вращаясь, перемещает движок реохорда. перемещение движка
продолжается до тех пор, пока мост снова не придет в равновесие и
напряжение на ЭД снова не станет равно нулю.
В этих потенциометрах процесс компенсации осуществляется
автоматически, непрерывно и с большой скоростью. Эти приборы
имеют устройства для автоматического внесения поправки на температуру холодных спаев термопары.
17.1.7. Пирометрические термометры
Пирометры излучения основаны на измерении мощности теплового излучения объекта, преимущественно в диапазонах инфракрасного излучения и видимого света. Верхний предел измерения
температуры пирометра излучения практически не ограничен. Измерение основано на бесконтактном способе, поэтому отсутствует искажение температурного поля, вызываемого введением преобразовательного элемента прибора в измеряемую среду. Возможно измерение температуры пламени и высоких температур газовых потоков
при больших скоростях и на расстоянии.
Первый пирометр (оптический) изобрёл голландский физик
Питер ван Мушенбрук (1731). Изначально термин использовался
применительно к приборам, предназначенным для измерения температуры визуально, по яркости и цвету сильно нагретого (раскалённого) объекта. В настоящее время смысл несколько расширен, в частности, некоторые типы пирометров (инфракрасные радиометры) измеряют достаточно низкие температуры (0 °C и даже ниже).
185
К пирометрическим термометрам относят: оптические пирометры, радиационные пирометры, пирометры полного излучения, автоматические инфракрасные термометры, термометры непрерывного
излучения, линейные сканеры, тепловизионные радиометры, поверхностные пирометры, пирометры отношения, двухцветовые пирометры и т. п. Эти наименования больше связаны с назначением
приборов.
Несмотря на то что по точности пирометры сильно уступают
контактным датчикам температуры, они незаменимы там, где необходимо быстро и безопасно сделать измерение температуры
поверхности.
По спектральному диапазону пирометры условно можно
разделить:
− на монохроматические (оптические, яркостные);
− полного излучения (радиационные);
− спектрального отношения (цветовые).
Монохроматический пирометр - пирометр, принцип действия
которого основан на использовании зависимости спектральной энергетической яркости тела от его температуры.
Позволяет визуально определять без использования специальных устройств, температуру нагретого тела, путем сравнения его цвета с цветом эталонной нити.
Наиболее распространенным яркостным пирометром является
пирометр с исчезающей нитью, схема которого показана на рис. 101.
Оптическая система пирометра представляет собой телескоп с
объективом (1) и окуляром (4). Перед окуляром помещен красный
светофильтр (3). Спектральная характеристика пропускания
светофильтра подбирается с учетом спектральной чувствительности
глаза так, чтобы при рассматривании объекта через светофильтр
наибольшая видимая яркость соответствовала бы длине волны около
0,65 мкм.
186
Рис. 101. Устройство оптического пирометра с исчезающей нитью:
а – пирометр, б - нить
В фокусе объектива находится вольфрамовая нить пирометрической лампочки 5. Нить лампочки питается от аккумулятора; ее накал можно регулировать вручную реостатом 6. В поле зрения телескопа наблюдатель видит участок излучающей поверхности накаленного тела (объекта измерения) и на этом фоне – нить лампочки
(рис.101, б). Если яркости нити и накаленного тела неодинаковы,
нить будет видна более темной или более светлой, чем фон. Регулируя накал нити реостатом, наблюдатель добивается равенства яркостей, при этом изображение нити сольется с фоном и станет неразличимо (нить "исчезнет"). В этот момент яркостная температура нити
равна яркостной температуре объекта измерения. Глаз весьма чувствителен к различению яркостей и момент "исчезновения" нити улавливается с достаточной уверенностью. Показывающий прибор 8,
включенный в цепь нити накаливания, градуируется по образцовому
пирометру или по температурным лампам, в °С яркостной
температуры.
Если объект измерения по своей излучающей способности близок к абсолютно черному телу, то показываемая пирометром яркостная температура равна истинной температуре объекта. Однако излучающая способность реальных физических тел не достигает излучающей способности абсолютно черного тела. Поэтому при одинако-
187
вой яркости излучения, т. е. при одинаковой яркостной температуре,
λ
истинная температура Т реального физического тела будет выше яркостной температуры ТS, показываемой оптическим пирометром.
Соотношение истинной Т и яркостной температур Тs определяется выражением:
11
s
=− ,
1
ln
ε
cTT
λ
2
где λ - длина волны света, в котором измеряется яркостная температура (для оптических пирометров обычно λ=0,65 мкм); с2=1,438
см/град – постоянная; ελ - коэффициент излучательной способности
(коэффициент черноты 0 < ελ < 1) реального тела для длины волны λ.
Более простая схема оптического пирометра показана на
рис. 102.
Рис. 102. Устройство яркостного пирометра с исчезающей нитью: Мисточник тепла; О1 ,O2 - фокусирующие линзы; G - нитью накала
лампы; S, F - светофильтры; AZ - показывающий прибор
Стандартный диапазон измерений пирометра с исчезающей нитью составляет свыше 650 до 2500 °С, а с использованием дополнительных светофильтров и более.
В радиационных пирометрах регистрируется суммарная тепло-
вая электромагнитная энергия (полная) излучения со всеми длинами
волн, поступающая в объектив пирометра.
В 21 веке радиационные пирометры с инфракрасным диапазоном измерения стали называть ИК-термометрами, что означает инфракрасные радиационные термометры.
188
Приборы, дающие возможность получить изображение распределения температуры на основе ИК-излучения по поверхности объекта
называют тепловизорами или тепловизионными камерами.
Большинство современных ИК термометров представляют собой портативные и, как правило, очень простые в обращении приборы. с специальным лазерный целеуказателем для точного наведения
на объект измерения.
В общем случае радиационный пирометр представляет собой
устройство, которое содержит оптическую систему, преобразователь
энергии излучения (детектор) и электронную схему для согласования
преобразователя с последующими блоками (рис. 103).
Рис. 103. Принципиальная схема радиационного пирометра
Тепловой поток фокусируется сферическим зеркалом на
детектор (термопара, термометр сопротивления) который преобразованную тепловую информацию передает на устройство вывода
(показывающий прибор)
Полная мощность излучения Р на единицу поверхности абсо-
лютно черного тела при температуре T(К) определяется выражением
P= σT4, где σ – постоянная Стефана – Больцмана.
Реальные тела имеют меньшие излучения, поэтому вводится
поправочный коэффициент, называемый степенью черноты.
Схема современного радиационного пирометра с оптическим
видоискателем изображена на рис. 104.
189
Рис. 104. Схема радиационного пирометра: 1 - объект измерения; 2 - тепловое излучение; 3 - оптическая система; 4 - зеркало; 5 - видоискатель; 6 - ось
видоискателя; 7 - измерительно-счетное устройство; 8 - корпус; 9 - электронный преобразователь; 10 - кнопка; 11 - датчик
Тепловой луч, сфокусированный оптической системой, падает
на датчик (первичный пирометрический преобразователь), в результате на выходе образуется электрический сигнал, пропорциональный
значению температуры объекта измерения. Этот сигнал проходит через электронный преобразователь (вторичный пирометрический преобразователь), попадает в измерительно-счетное устройство и обрабатывается в нем. Результат отображается на дисплее (индикация у
современных пирометров, как правило, цифровая).
Чтобы получить точное значение температуры объекта, пользователю нужно лишь включить прибор, навести его на объект измерения и нажать на кнопку. Измерения можно проводить практически
на любом расстоянии, дальность действия современных пирометров
ограничивается только площадью измеряемого пятна и прозрачностью среды.
Оптическим разрешением (показатель визирования) пирометра
называют отношение диаметра светового пятна и расстояния до объекта измерения (рис. 105). В технической документации к пирометру
обычно указывается конкретное значение показателя визирования
или приводится диаграмма направленности.
190
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]