2.1.4. Датчики-реле температуры

Д ля двухпозиционного регулирования температуры выпускаются датчики-реле температуры. Действие наиболее распространенных датчиков основано на тепловом расширении тел. Действие ртутных датчиков-реле основано на тепловом расширении ртути в замкнутом объеме. Ртуть, обладая электропроводностью, при расширении замыкает контакты в капилляре связанным с рабочим объемом. Коммутируемая мощность - менее 1ва при токе менее 0.04а.

В манометрических датчиках используется зависимость давления рабочего вещества в герметически замкнутой системе от температуры. Термочувствительная система, заполненная рабочим веществом, состоит из термобаллона, соединительного капилляра, камеры с встроенным чувствительным элементом - сильфоном, соединенным с контактным устройством (рис.2.14).

В дилатометрических и биметаллических датчиках-реле используется изменение линейных размеров твердых тел при изменении температуры. Чувствительный элемент биметаллического датчик а – пластина из соединенных вдоль двух пластин из металлов с разными коэффициентами линейного расширения. При изменении температуры такая пластина изгибается. Свободный конец ее или связан механически с контактной группой или сам является контактом. Чувствительный элемент дилатометрических датчиков состоит из трубки, изготовленной из имеющей большой коэффициент линейного расширения латуни, и находящегося внутри трубки стержня из инвара, имеющего малый коэффициент линейного расширения. При изменении температуры конец стержня, связанный с контактным устройством, перемещается относительно трубки (рис.2.15).

Существуют также датчики-реле температуры, работающие с терморезисторами и термопарами, в которых после преобразования входной величины выходной унифицированный электрический сигнал поступает на релейный элемент для формирования дискретного сигнала. Основными параметрами, характеризующими работу датчиков-реле являются:

• коммутируемые мощность ,ток и напряжение;

• время срабатывания;

• надежность.

Заметим, что для измерения больших температур используются пирометрические датчики, принцип действия которых основан на измерении цвета и мощности теплового излучения нагретых тел.

2.1.5. Оптические и фотоэлектрические пирометры

Пирометры предназначены для бесконтактного измерения температуры веществ по их тепловому излучению, преобразования ее в сигнал температурной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем, для передачи и использования в системах управления технологическими процессами. Они применяются для контроля высокотемпературных (от +300 до +6000°С и выше) технологических процессов в производстве строительных материалов. Измеряя энергию излучения нагретого тела, можно определить его температуру. Методы измерения температур, использующие свойства теплового излучения тел, основаны на законах излучения абсолютно черного тела. Поскольку излучение реальных тел отличается (всегда меньше) от излучения абсолютно черного тела и имеет отличный спектральный состав, существуют пирометры, использующие различные методы измерения.

Применяя пирометры для измерения температуры реальных серых тел, в большинстве случаев получают значения температур, отличающиеся от действительных температур этих тел, так как их излучение не соответствует излучению абсолютно черного тела. Температуры реальных тел, измеренные по их тепловому излучению, называют обычно условными или кажущимися и подразделяют на яркостную, радиационную и цветовую температуру. Соответственно пирометры, измеряющие эти температуры, делятся по принципу действия на оптические и фотоэлектрические, полного (суммарного) поглощения, спектрального отношения.

В оптических и фотоэлектрических пирометрах частичного излучения из полного спектра излучения тела при помощи специального светофильтра выбирается узкий интервал с заданной длиной волны. Интенсивность излучения в этом интервале служит мерой температуры тела и определяется непосредственно путем сравнения этой интенсивности с интенсивностью излучения эталонного источника, в качестве которого используется пирометрическая лампа накаливания.

Спектральный состав излучения для одного и того же материала может значительно меняться в зависимости от содержания различных примесей, что является одной из причин появления значительных погрешностей в пирометрах частичного излучения. При измерении температуры реальных серых тел пирометром частичного излучения, градуированным по излучению абсолютно черного тела, определяется не истинная температура, а кажущаяся (условная), яркостная температура, которая всегда меньше истинной.

В оптических пирометрах, с «исчезающей нитью», типа «ОППИР-017» и «Проминь», сравнение яркостных температур в узкой полосе частот, основано на сравнении яркости тела, с яркостью нити пирометрической лампы. При этом в качестве чувствительного элемента (приемника излучения) для обнаружения наличия или отсутствия равновесия яркостей двух одновременно рассматриваемых изображений тел служит человеческий глаз. Изменяя сопротивление реостата в цепи питания лампы, можно установить такую силу тока лампы, при которой в пределах чувствительности человеческого глаза, достигается равенство яркостей нити и фона, что создает эффект исчезновения нити. Соответствующее этому равенству яркостей напряжение на зажимах лампы отсчитывается по включенному в цепь измерительному прибору, шкала которого проградуирована в градусах Цельсия.

Этих недостатков лишены фотоэлектрические пирометры (типа ФЭП-4), в которых в качестве приемника излучения (чувствительного элемента) используют фотоэлемент или фотосопротивление. В них перед фотоэлементом установлен модулятор, который периодически (с частотой 50 гц) переключает падающий на приемник световой поток от эталонной лампы на световой поток от тела, температура которого измеряется.

При неравенстве этих световых потоков в цепи фотоэлемента потечет ток, переменная составляющая которого пропорциональна разности освещенностей катода фотоэлемента, а фаза зависит от ее знака. Ток фотоэлемента поступает на фазочувствительное устройство управления, которое изменяет ток накала лампы так, чтобы переменная составляющая фототока стала равной нулю и, следовательно, пока не уравняются световые потоки от тела и лампы. Сила тока накала лампы однозначно связана с яркостной температурой визируемого тела. Падение напряжения на сопротивлении в цепи лампы измеряется автоматическим потенциометром позволяющим производить отсчет яркостной температуры, выраженное в градусах Цельсия.

Пирометры полного (суммарного) излучения или радиационные пирометры используют для измерения радиационных температур нагретых тел. Рационной температурой реального тела называется такая температура черного тела, при которой его полная мощность излучения равна мощности, излучаемой реальным телом. Радиационная температура тела всегда будет меньше его истинной температуры.

В качестве чувствительного элемента радиационного пирометра используется термобатарея. Тепловой поток от объекта через оптическую систему направляется на рабочие спаи термоэлектрических преобразователей термобатареи, по степени нагрева; которых определяется температура излучателя. Выводы термобатареи соединяются с зажимами измерительного прибора.

На предприятиях строительных материалов используется агрегатный комплекс стационарных пирометрических преобразователей и пирометров излучения АПИР-С. Пирометры излучения этого комплекса используются для измерения температур в диапазоне от +30 до +2500 °С с пределами допускаемой основной погрешности ±1,0; ±1,5 и ±2,0 от верхнего предела измерения.

В зависимости от принципа действия первичные пирометрические преобразователи комплекса АПИР-С подразделяются на пирометры полного излучения термоэлектрические (ППТ) и пирометры частичного излучения фотодиодные (ПЧД).

Пирометрические преобразователи полного излучения типа ППТ предназначены для измерения радиационной температуры объектов. Они преобразовывают суммарную энергию электромагнитного излучения нагретых тел в напряжение постоянного тока. Приемником излучения в этих преобразователях служит термобатарея из хромель-копелевой фольги. Преобразователи частичного излучения типа ПЧД предназначены для измерения температуры объектов по электромагнитному излучению в ограниченном спектральном диапазоне длин волн. Приемником излучения преобразователей типа ПЧД являются германиевые или кремниевые фотодиоды.

Принцип действия пирометров спектрального отношения основан на измерении отношения интенсивностей излучения нагретого тела в двух определенных участках спектра. Это отношение однозначно определяет цветовую температуру тела.

При измерении температуры радиационными пирометрами возникает ряд методических трудностей, связанных с тем, что объектом измерения является не черное тело. Наиболее существенной методической погрешностью является погрешность, которая возникает при вычислении истинной температуры тела по значению полученной в результате измерения радиационной температуры.