Метрология. Контрольные вопросы для самопроверки. Содержание предлагаемого учебного пособия основано на программе дисциплине Технические измерения и приборы
 Скачать 1.03 Mb.
|
|
3.7.2. Измерение термоЭДС переносным потенциометром Компенсационный метод широко применяется для измерения термоЭДС термоэлектрических термометров, напряжения, а также других величин, связанных с напряжением определенной зависимо- стью. Принцип компенсационного метода основан на уравновешива- нии (компенсации) измеряемой ЭДС известным напряжением, полу- чаемым от строго определенного тока, называемого обычно рабочим, на сопротивлении с известным значением. Лабораторный переносной потенциометр ПП-63, упрощенная схема которого приведена на рис.3.7.4, предназначен для измерения ЭДС и напряжений в цепях постоянного тока компенсационным (по- тенциометрическим) методом, т.е. уравновешиванием измеряемой ЭДС известной разностью потенциалов. Электрическая схема потенциометра (см. рис.3.7.3) образована тремя цепями. Первая - цепь батареи состоит из источника постоян- ного тока Е , сопротивления реостата R T для установки рабочего тока, секционного резистора R С , сопротивления реохорда R Р , и резистора R НЭ Вторая - цепь термопары состоит из источника термоЭДС. E(t,t 0 ) части секционного резистора R c , сопротивления реохорда R p и нуль- прибора НП. Третья - цепь нормального элемента служит для установки ра- бочего тока в первой цепи, т.е. приведения тока батареи к стандарт- ной величине. Эта цепь состоит из нормального элемента Е НЭ , ЭДС которого равна 1,018 В и остается постоянной при кратковременной нагрузке, и резистора R П , предохраняющего нормальный элемент от возможной поляризации. Переключатель SA имеет два положения: К - контроль и И - из- мерение. При установке рабочего тока, переключатель переводится в положение К. При этом цепь батареи включается в цепь нормального элемента. Компенсация ЭДС. нормального элемента происходит на резисторе R НЭ за счет рабочего тока, т.е. i 1 ⋅ R НЭ = E НЭ Стрелка нуль-прибора при этом устанавливается на нуль с по- мощью реостата R T , имеющего плавную и грубую регулировки, с над- писью "Установка рабочего тока”. 74 Рис. 3.7.3. Переносной потенциометр ПП-63 Для измерения термоЭДС переключатель переводится в поло- жение И , а в цепь источника тока Е включается цепь термопары. Движки секционного резистора R C и реохорда R Р перемещают до тех пор, пока термоЭДС термопары полностью не компенсируется равной и противоположно направленной разностью потенциалов, создавае- мой током батареи на участке ab В таком положении стрелка нуль- прибора устанавливается на нуль, а отсчет производится по сумме падений напряжений на секционном резисторе R С и реохорде R Р в мВ. Компенсационный метод, основанный на уравновешивании не- известного сигнала известным напряжением, позволяет измерить термоЭДС более точно, так как в момент измерения ток в цепи тер- моэлектрического термометра равен нулю. Поэтому исключается по- грешность, связанная с влиянием температуры окружающей среды. На секционном резисторе можно создать разность потенциалов 48 мВ, на реохорде – 2 мВ. Максимальная ЭДС, измеряемая потен- циометром, составит 50 мВ при множителе XI, который может быть установлен 0,5, 1 или 2. Класс точности прибора 0,05. Переносной потенциометр может служить образцовым прибором для поверки милливольтметров и автоматических потенциометров. 75 3.7.3. Автоматические потенциометры Автоматические потенциометры широко применяются в различ- ных отраслях промышленности для измерения и записи температуры в комплекте с термоэлектрическими термометрами, а также с теле- скопами пирометров полного излучения (ТЕРА-50). Они одновремен- но могут быть использованы для измерения записи и сигнализации или регулирования температуры. В этом случае потенциометры снабжаются дополнительным устройством для сигнализации или ре- гулирования температурой. Автоматические потенциометры находят также применение и для измерения других величин, изменение которых может быть пре- образовано в изменение напряжения постоянного тока. Отличительной особенностью автоматических потенциометров является то, что регулирование компенсирующего напряжения, а, следовательно, и уравновешивание измеряемой термоЭДС, термо- метра илинапряжения, осуществляемое перемещением движка рео- хорда, производится не вручную, а автоматически с помощью непре- рывно действующего следящего устройства. Ниже рассмотрим приведенную на рис. 3.7.4 типовую принци- пиальную схему одноточечного автоматического потенциометра. На этой схеме приняты следующие обозначения: P R – реохорд; Ш R – шунт реохорда, служащий для подгонки сопротивления последнего до заданного нормированного значения НР R ; ТО – токоотвод; П R – ре- зистор для установления диапазона измерения ) t , t ( E ) t , t ( E E 0 Н 0 К Д − = ; Н R – резистор для установления на- чального значения шкалы ) t , t ( E 0 Н ; Б R – резистор балластный для установки при различных градуировках определенного значения со- противления верхней ветви измерительной схемы bad , а следова- тельно, и рабочего тока мА 3 I = ; М R – вспомогательный резистор из медной проволоки для автоматического введения поправки на из- менение термо–ЭДС термометры при изменениях температуры его свободных концов; К R – контрольный резистор, сопротивлением 509,6 ± 0,2 Ом (или ± 0,5 Ом) для всех выпускаемых потенциометров, служащий для контроля рабочего тока в измерительной схеме ) мА 2 I ( R I U 2 К 2 К = = при градуировке прибора или его поверке; ИПС – источник питания стабилизированный; Т R – резистор в цепи ИПС для ограничения и регулировки рабочего тока при градуировке 76 или поверке прибора; К R – насыщенный нормальный элемент клас- са точности 0,005; ВУ — входное устройство усилителя, предназна- ченное для преобразования поступающего из измерительной схемы сигнала небаланса (нескомпенсированного напряжения) постоянного тока в сигнал (напряжение) переменного тока; a – движок; РД – ре- версивный асинхронный двигатель конденсаторного типа с коротко- замкнутым ротором с встроенным в его корпус редуктором, переда- точное число которого определяет время прохождения кареткой всей шкалы прибора. Рис.3.7.4. Принципиальная схема автоматического потенциометра КСП-3 Все резисторы измерительной схемы автоматических потен- циометров, кроме М R изготовляют из стабилизированной мангани- новой проволоки. В потенциометрах, работающих в комплекте с тер- мометрами градуировок ПП, ХА, ХК и др., резистор М R находится в непосредственной близости со свободными концами термоэлектрод- ных проводов соединяющих термометр с прибором. 77 При измерении температуры автоматическими потенциометра- ми в комплекте с термоэлектрическими термометрами градуировки ПР-30/6 поправка на изменение температуры свободных концов, не вводится. Поэтому все резисторы измерительной схемы потенцио- метров, предназначенных для работы с этими термометрами, изго- товляют из манганиновой проволоки. Реохорд автоматического потенциометра является важным уз- лом. Основные элементы реохорда – рабочая спираль P R и токоот- вод ТО ( вспомогательная спираль). В потенциометрах типа КПП, КСП и др., рабочую и вспомогательную спирали изготовляют из про- волоки ПдВ–20 (сплав палладий—вольфрам). В приборах типа ЭПП, ПС и других рабочая и токоотводящая спирали выполнялись из ман- ганиновой проволоки. Реохорд из проволоки ПдВ–20 обладает боль- шей стойкостью против истирания по сравнению с реохордом из ман- ганиновой проволоки. Для повышения надежности работы движок ре- охорда снабжается контактами, выполненными из сплава золото— серебро—медь. Надежность контакта, а следовательно, и работы ре- охорда обеспечивается также чистотой контактных поверхностей, за- щитой от загрязнений и необходимым контактным давлением. Как видно из рис. 3.7.4, термоэлектрический термометр под- ключен последовательно с усилителем к точкам а и с измеритель- ной схемы потенциометра. К зажимам bad подключен источник ста- билизированного питания, обеспечивающий постоянство рабочего тока 1 I и 2 I ( 2 1 0 I I I + = ) в измерительной схеме прибора. При нор- мальной температуре окружающего воздуха напряжение между точ- ками а и с зависит только от положения движка реохорда, и для ка- ждого значения измеряемой термоЭДС термометры ) t , t ( E 0 можно найти такое положение движка реохорда, при котором компенсирую- щее напряжение Uac между точками а и с равно ) t , t ( E 0 и тока в цепи термометра не будет. В этом случае по закону Кирхгофа для контура abc ( ВУ): 0 ) t ; t ( E I R R I I R 0 2 M Н 1 1 пр = − ⋅ − + ⋅ ⋅ λ или Uac I R R I I R ) t ; t ( E 2 M Н 1 1 пр 0 = ⋅ − + ⋅ ⋅ λ = (1) 78 где пр R – приведенное сопротивление реохорда, представлено на рисунке 2; пр R λ – часть приведенного сопротивления реохорда левее движка а ). Рис. 3.7.5 Приведенное сопротивление потенциометра Измеряемая термоЭДС термометра ) t , t ( E 0 компенсируется падением напряжения на участке ab , состоящего из части трех па- раллельно соединенных сопротивлений R Р , R Ш , R П , и на резисторах R H и R M : , R I R I R I ) t , t ( E м 2 н 1 / пр 1 0 − + = где 0 t , t – температуры горячего и холодного спаев термопары соответственно; / пр R – часть общего сопротивления трех параллельно соеди- ненных сопротивлений R Р , R Ш , R П , величина которого зависит от по- ложения движка реохорда. При соблюдении этого равенства ток в цепи термопары равен нулю. При этом движок реохорда неподвижен, а стрелка прибора по- казывает измеряемое напряжение. При изменении температуры горячего спая в цепи термопары появляется некомпенсированный ток, который подается на входное устройство, состоящее из вибропреобразователя и входного транс- форматора. Во входном устройстве постоянный ток преобразуется в переменный и подается в усилительный каскад. Реверсивный двига- тель РД , подключенный к выходу усилителя, перемещает движок ре- охорда (точку а) и тем самым приводит в равновесие измерительную 79 схему. Для того чтобы медное сопротивление R M не влияло при гра- дуировке, в потенциометре КСП–3 имеется перемычка, которая уста- навливается в положение градуировка ( Г ). При контроле исправности прибора переключатель контроль- работа устанавливается в положение контроль, при этом замыкаются контакты К 1 и К 2 и стрелка прибора на отметке шкалы. Одновременно РД перемещает показывающую стрелку и перо. Выпускаемые промышленностью автоматические потенциомет- ры, различаясь конструктивным исполнением, имеют практически од- ну и туже типовую измерительную схему, подобную КСП-3. Различают полногабаритные (КСП–3, КСП–4), малогабаритные (КСП–2) и миниа- тюрные (КС1) автоматические потенциометры с шириной диаграмм- ной ленты 250, 160,100мм и дисковой диаграммной бумагой. Автоматические потенциометры выпускают в виде показываю- щих и самопишущих, одно – (КСП–3, КСП–4) и многоточечных ( КСП–4). В них могут встраиваться регулирующие и сигнализирующие устройства, а также устройства для передачи показаний на расстоя- ние. В зависимости от модификации классы точности потенциомет- ров равны 0,25, 0,5 и 1. 3.7.4. Приборы типа ДИСК–250 Для введения информации от термоэлектрических преобразо- вателей в ЭВМ или в системы автоматического управления широко применяются нормирующие измерительные преобразователи, преоб- разующие сигнал с термопары в стандартный сигнал ГСП. Приборы, показывающие и регистрирующие ГСП ДИСК–250, предназначены для измерения и регистрации активного сопротивле- ния, силы и напряжения постоянного тока, а также неэлектрических величин, преобразованных в указанные сигналы. Принцип действия прибора поясняется на схеме рис.3.7.6. Приборы рассчитаны на работу с входными сигналами: 1. От термоэлектрических преобразователей; 2. От термопреобразователей сопротивления; 3. 0 – 5 и 4 – 20мА; 0-5 и 0-10В; 0-50 и 0-100мВ. В основу работы прибора положен принцип электромеханиче- ского следящего уравновешивания. Входной сигнал от датчика (тер- мопары) предварительно усиливается (в потенциометрах не усилива- ется) и лишь после этого производится уравновешивание его сигна- лом компенсирующего элемента (реохорда). 80 В приборе ДИСК–250 входной сигнал от датчика Д поступает во входное устройство ВхУ , где он нормализуется по нижнему пределу измерения для удобства его дальнейшей обработки. Кроме того, входное устройство содержит источник тока для питания термопреоб- разователей сопротивления или для питания медного резистора тем- пературной компенсации изменения термоЭДС холодных спаев тер- моэлектрических преобразователей. В приборе ДИСК–250 входной сигнал от датчика Д поступает в блок искрозащиты БИ , предохраняющий датчик от опасного повыше- ния тока и напряжения, которые могут возникнуть в аварийном со- стоянии внутри прибора. Далее сигнал поступает во входное устрой- ство ВхУ , где он нормализуется по нижнему пределу измерения для удобства его дальнейшей обработки. Затем входной сигнал поступает на усилитель УВС с жесткой отрицательной обратной связью, где сигнал нормализуется по верх- нему пределу измерения. Таким образом, с выхода УВС снимается сигнал, нормализованный по нижнему и верхнему пределам измере- ний (при изменении выходных сигналов от нижнего до верхнего пре- делов измерения выходной сигнал усилителя УВС в приборах изме- няется в пределах от минус 0,5 до минус 8,5 В). С предварительного усилителя ПУ УВС снимается сигнал, из- меняющийся в пределах от 0 до 4 В при изменении входных сигналов от нижнего до верхнего пределов измерений. Сигнал с реохорда R , усиленный усилителем УР до уровня от плюс 0,5 до плюс 8,5 В, сравнивается на входе усилителя небаланса УН с сигналом УВС Работа прибора происходит следующим обра- зом. При изменении значения изменяемого параметра на входе уси- лителя УН появляется сигнал небаланса, который усиливается этим усилителем и управляет работой двигателя ДВ , который, в свою оче- редь перемещает движок реохорда R до тех пор, пока сигнал с усили- теля УР не станет равным (по абсолютной величине) сигналу с уси- лителя УВС Таким образом, каждому значению измеряемого пара- метра соответствует определенное положение движка реохорда и связанного с ним указателя прибора. Сопротивление обмотки реохорда для всех градуировочных ха- рактеристик и диапазонов измерений одинаково и составляет прибли- зительно 940 Ом ± 10%. 81 Д - датчик; ВхУ – входное устройство; УВС – усилитель входного сигнала (ПУ – предварительный усили- тель, ОКУ – оконечный усилитель); УР – усилитель сигнала реохорда; R – реохорд; ДВ – балансирующий двига- тель; УН – усилитель небаланса; ВУ1–ВУ5 – выходные устройства; ИП – источник питания. Рис.3.7.6. Функциональная схема прибора ДИСК – 250 82 Сигнал с усилителя УВС поступает на входы усилителей вы- ходных устройств ВУ1 - ВУ4 : ВУ1 – устройство преобразования входного сигнала в выход- ной электрический унифицированный сигнал 0-5 или 4-20мА; ВУ2 – трехпозиционное регулирующее устройство; ВУ3 – устройство сигнализации о выходе измеряемого пара- метра за нижний допустимый предел; ВУ4 – устройство сигнализации о выходе измеряемого пара- метра за верхний допустимый предел измерения. Сигнал на пропорционально-интегральное регулирующее уст- ройство ( ПИ - регулятор) ВУ5 поступает с предварительного усилите- ля ПУ Приборы типа ДИСК-250 выполнены на микроэлектронной базе средней степени интеграции. Использование резисторных микросбо- рок позволяет путем перепайки легко изменять пределы измерения. 3.7.5. Приборы типа ДИСК–250М Диск – 250М прибор, построенный на микропроцессорной эле- ментной базе, и предназначен для измерения, регистрации, сигнали- зации и регулирования параметров технологических процессов, пред- ставленных унифицированными сигналами и сигналами от термопар термопреобразователей сопротивлений, дифференциально- трансформаторных преобразователей и пирометров. Предназначен для применения в металлургии, машинострое- нии, нефтедобывающей, –транспортирующей и –перерабатывающей, химической, энергетической, пищевой и др. отраслях промышленно- сти. Микропроцессорная элементная база (микропроцессор МП ) позволяет реализовать многозадачность прибора в одном аппарат- ном исполнении. АЦП – преобразует аналоговые сигналы от датчика в двоич- ный код. Код передается в центральный процессор, где он обрабаты- вается и подается на ЦАП ; ЦАП – для преобразования в сигнал 4 – 20 мА, который может нести информацию, как о значении измеренного сигнала, так и регу- лирующее воздействие, если при конфигурировании прибора выбран закон регулирования ПИД-С ; Реле – изменяя их состояния. Состояние реле определяется соотношением между значениями входного сигнала и уставки. 83 Барграф – высота светового столба, которого пропорциональна измеряемому значению; Для конфигурирования прибора предназначены табло 2 и кла- виатура, сигналы от клавиатуры воспринимает и передает на табло центральный процессор ( ЦП ). ЦП формирует в архиве массив сообщений о результатах из- мерений. Интерфейс предназначен для связи с персональным компьюте- ром, при помощи которого можно осуществить настройку и програм- мирование прибора. Благодаря использованию МП в качестве управляющего уст- ройства имеется возможность хранить все виды НСХ – термопар и термометров сопротивления. Для использования датчика необходимо зайти в меню конфигурации прибора и выбрать входной сигнал. Благодаря цифровой обработке сигнала повышена точность измерения. Погрешность 0,25% от диапазона измерения. Так же воз- можно использовать внешнюю или внутреннюю термокомпенсацию ( холодные спаи). Реохорд заменен на шаговый двигатель (нет драгоценных ме- таллов). Пользователь может выбирать скорость вращения диа- граммной бумаги, с помощью клавиатуры. Диск – 250М может использоваться в качестве позиционного или ПИД регулятора. При конфигурировании необходимо задать за- кон регулирования, выбрать коэффициенты (параметры настройки) и задание для регулятора. Задание регулятора может быть постоянным во времени или задаваться в виде кусочно-линейной функции време- ни программы. Задание вводиться в тех же единицах, что и измеряе- мая величина. В памяти прибора хранится одна программа, которая может со- стоять из 30 участков (шагов). Для каждого шага задается конечное значение параметра и времени (в часах или минутах). Регулятор может работать в ручном и автоматическом режимах. Переход осуществляется с помощью клавиатуры. Осуществляется контроль выхода результата за допустимые пределы измерения (светодиод на крышке). Питание 36 В, 30 мА – встроенный блок питания. Архив – происходит периодическое усреднение измеренных данных, время от 1 до 3600 с. Длина архива 32 703 байта (2 973 запи- си). Архив организован по кольцевому принципу, энергонезависим. Имеется опция корнеизвлечения. Межповерочный интервал 2 года. Принцип действия прибора поясняется на схеме рис.3.7.7. 84 Рис. 3.7.7. Функциональная схема прибора ДИСК – 250М 85 3.8. Пирометры О температуре нагретого тела можно судить на основании измерения параметров его теплового излучения, представляющего собой электромагнитные волны различной длины. Чем выше тем- пература тела, тем больше энергии оно излучает. Термометры, действие которых основано на измерении теп- лового излучения, называют пирометрами. Они позволяют контро- лировать температуру от 100 до 6000 0 С ивыше. Одним из глав- ных достоинств данных устройств является отсутствие влияния измерителя на температурное поле нагретого тела, так как в про- цессе измерения они не вступают в непосредственный контакт другсдругом. Поэтому данные методы получили название бескон- тактных. Методы измерения температур, использующие различные свойства теплового излучения абсолютно чёрного тела, нашли широкое практическое применение. Под абсолютно чёрным телом понимают тело, которое поглощает всю падающую на него энер- гию. В пирометрии излучения в качестве величин, характеризую- щих тепловое излучение тел, применяют энергетическую свети- мость (излучательность) и энергетическую яркость (лучистость). Методы пирометрии излучения имеют значительные пре- имущества перед контактными методами измерения температуры в следующих случаях: При измерении температуры в средах, где может быть обес- печена долговременная устойчивость контактных термопреобра- зователей. При необходимости обеспечения высокого быстродействия. Если контакт термопреобразователя с объектом измерения затруднен или не возможен (движущиеся объекты). Если контакт термопреобразователя с объектом измерения недопустим ввиду искажения температурного поля. Если объект нагревается в вакууме или защитных средах ( при наличии защитных экранов, пропускающих излучение). На основании законов излучения существуют следующие методы измерения температуры: 1. Яркостная пирометрия, основана на измерении энергии излучаемого тела на данной длине волны. 2. Радиационная пирометрия основана на использовании за- кона Стефана – Больцмана, т.е. суммарная энергия пропорцио- нальна температуре в четвёртой степени. 86 3. Цветовая пирометрия, основана на измерении температу- ры по отношению интенсивности излучения на двух волнах. Пирометры измеряют не действительные, а условные тем- пературы (яркостные, радиационные, цветовые) Эти условные температуры ниже действительных, так как записаны для абсо- лютно черного тела (а.ч.т.), для реального тела необходимо вво- дить поправку. На основании законов излучения разработаны пирометры следующих типов: - пирометр суммарного излучения (ПСИ) – измеряется пол- ная энергия излучения; - пирометр частичного излучения (ПЧИ) – измеряется энергия в ограниченном фильтром (или приемником) участки спектра; - пирометры спектрального отношения (ПСО) – измеряется отношение энергии фиксированных участков спектра. 3.8.1. Яркостные пирометры Яркостной температурой называется такая температура а.ч.т. в свете длины волны λ , при которой спектральные энергети- ческие яркости реального и а.ч.т. в лучах одной и той же длины волны λ равны между собой. T / C 5 1 T / C 5 1 2 2 e C e C λ − − λ − − λ λ = λ ε Прологарифмируем уравнение и получим: λ ε λ = − 1 ln C T 1 T 1 2 я Так как 0< ε λ <1; отсюда видно, что Т Я < T для реальных тел, чем меньше степень черноты тем меньше Т Я поэтому необходимо вводить поправку: Т = Т Я + ∆ t ∆ t – поправка на степень черноты. Пирометры, которые измеряют яркостную температуру, на- зываются пирометрами частичного излучения (ПЧИ), одним из ко- торых является АПИР-С. 87 Агрегатный комплекс стационарных пирометрических преоб- разователей и пирометров излучения (АПИР-С) представляет со- бой совокупность пирометрических преобразователей и вспомога- тельных устройств, относящихся к устройствам получения инфор- мации, и предназначен как для укомплектования автоматизиро- ванных систем управления технологическими процессами ( АСУТП), так и для создания локальных приборов и систем изме- рения, контроля и регулирование температуры методом пиромет- рического излучения. Известно большое количество различных вариантов пиро- метров частичного излучения (ПЧИ). Которые подразделяются на три группы: – с непосредственным измерением электрического сигнала на приемнике (АПИР-С). – выполненные по компенсационной схеме с эталонным ис- точником излучения, температура которого изменяется (ФЭП). Выполненные по компенсационной схеме (ФЭП - фотоэлек- трические пирометры), в них температура эталонного излучателя поддерживается постоянной, уравнивание потоков производится с помощью поглотителя (сетка с переменной плотностью, диафраг- ма и пр.), вводимого между эталонным излучателем и приемником излучения. Фотоэлектрические пирометры характеризуются малой инерционностью (до 10 -3 с), поэтому их используют для регистра- ции быстропротекающих температурных процессов, а также для измерений температуры малых объектов. Пределы допускаемой погрешности до 2000 ° С не превышают ± 1%. Комплекс АПИР-С, относящийся к первой группе, состоит из пирометрического первичного и измерительного вторичного пре- образователей. Комплекс АПИР-С состоит из пирометрического первичного и измерительного вторичного преобразователя. Устройство пирометрического преобразователя ПЧД-131 приведено на рисунке 3.8.1. Защитное стекло 1 служит для защиты оптической системы от загрязнения и крепится кольцом с резьбой. Линза 2 (объектив) служит для получения изображения измеряе- мого объекта в плоскости полевой диафрагмы 4, предназначенной для получения заданного показателя визирования ( n = D/L ). Кон- денсатор 5 предназначен для передачи изображения от диафраг- мы 4 в плоскость приёмника излучения. 88 Рис. 3.8.1. Пирометрический преобразователь ПЧД-131 Приемное устройство служит для преобразования светового потока в электрический сигнал. Оно состоит из диафрагмы 6, све- тофильтра 7, фотодиода 8, которые помещены в термостат 9. Све- тофильтр предназначен для выделения рабочей спектральной об- ласти фотодиода. Для получения стандартной градуировки преду- смотрена апертурная диафрагма 3, перемещением которой осу- ществляется подгонка градуировочной характеристики. Для наведения преобразователя на объект служит смещен- ный с оптической оси окуляр 11 и зеркало 10. Термостат ПЧД-131 представляет собой двустенный ци- линдр, между стенками которого положен пенопласт. Задатчиком температуры является транзистор ГТ 310А, сигнал управления с которого поступает на блок питания ПВ-3. Нагрев термостата про- изводится манганиновым нагревателем, на который поступает на- пряжение 40 В при токе 0,05 А. В преобразователях типа ПЧД в качестве приемника излучения применяются фотодиоды двух ти- пов: – германиевый фотодиод ФД-3А (градуировки ДГ); – кремниевый фотодиод ФД-25К (градуировки ДК). Градуировочные характеристики преобразователей для каж- дого диапазона измерений одинаковы для любых типоразмеров. Преобразователи ПЧД-121 и ПЧД-131 имеют термостатированный приемник излучения. Наличие термостатирования позволяет зна- чительно уменьшить температуру окружающего воздуха. Элемен- том регулирующим температуру термостата, служит транзистор ГТ310А. Температура термостатирования выбрана с учётом харак- 89 теристик фотодиодов и составляет 30 ± 2 0 С для преобразователей градуировок ДГ и 50 0 С для ПЧД градуировок ДК. 3.8.2. Радиационные пирометры Радиационной температурой тела Т р называется такая тем- пература абсолютно черного тела, при которой интегральные энергетические яркости абсолютно черного и реального тел при температуре Т равны. Согласно этому определению, используя закон Стефана- Больцмана: 4 0 T E δ = , получим: р 4 т T T δ = δ ε , где т ε - интегральный коэффициент теплового излучения; δ = 5,6697 ⋅ 10 -8 Вт/(м 2 ⋅ К 4 ) – постоянная Стефана– Больцмана. Тогда получим: 4 т р 1 T T ε = Эта формула позволяет определить действительную темпе- ратуру тела Т , зная коэффициент излучения т ε и радиационную температуру Т Р , измеренную пирометром. Так как для всех реаль- ных тел 0< т ε < 1 то, как видно из формулы, радиационная темпе- ратура тела всегда будет меньше его действительной. Кроме того, разброс значений т ε в зависимости от состояния поверхности для одного и того же материала очень велик (приложение). Поэтому и ошибки при определении действительной температуры тела по его радиационной температуре будут значительными. На практике трудно осуществить такой приемник излучения, который поглощал бы излучение всех волн от 0 до ∞ Поэтому многие радиационные пирометры воспринимают излучения в бо- лее или менее ограниченном интервале длин волн. В комплект приборов для измерения радиационной темпера- туры входят пирометрический преобразователь, защитная армату- ра и показывающий или регистрирующий прибор. Одним из наибо- лее важных узлов пирометров полного излучения является опти- 90 ческая система. Существует две разновидности систем: рефлек- торно-отражающая (с собирательным зеркалом) и рефракторно – преломляющая (с линзой) (рис. 3.8.3). Рис.3.8.3. Устройство радиационного пирометра рефракторной системы Рефракторные оптические системы (типа РАПИР) концен- трируют лучистый поток после линзы 1 и диафрагмы 2 внутри ко- нуса с углом 60°. Рабочая часть приемника излучения 3 лежит внутри конуса. Для наводки на измеряемое тело служит окуляр 4, закрываемый для защиты глаза красным или дымчатым свето- фильтром 5. Патрубок 6 используется для вывода проводов от приемника излучения. Приемником излучения служат батарея тер- мопар (рис. 3.8.4). Рабочие концы термопар 2 расклепываются в форме от- дельных тонких секторов 4, зачерняются и располагаются в виде венчика. Поток лучистой энергии воспринимается площадью, диа- метром, несколько большим диаметра зачерненных секторов. Свободные концы термопар привариваются к тонким металличе- ским пластинкам 1, прикрепленным к слюдяному кольцу 3, и нахо- дятся вне зоны лучистого потока. Слюдяное кольцо зажимается в металлическом корпусе. Для измерений температуры от 100 до 500 0 С применяют линзу, выполненную из фтористого лития или флюорита ( λ = 0,4 - 8 мкм), при измерениях от 400 до 200 0 С – из кварцевого стекла ( λ = 0,4 - 4 мкм) и при измерениях от 900 до 3000 0 С – из оптического стекла марки К – 8 ( λ = 0,4 - 2,5 мкм). 91 Рис. 3.8.4. Схема приемника излучения с термобатареей из шести термопар В качестве приемников излучения применяются хромель- копелевые термобатареи (градуировки РС–20 и РС–25) со стек- лянными оптическими системами, с кварцевыми системами – хро- мель–копелевые (градуировка РК–15) или нихром–константановые ( РК–20) термобатареи. Рефлекторные оптические системы (рис. 3.8.5) концентри- руют лучистый поток с помощью вогнутого зеркала 7. Концентрированный лучистый поток попадает на приемник излучения 3 со стороны, противоположной положению измеряемо- го тела относительно телескопа. Наводка на измеряемое тело осуществляется с помощью окуляра 4 со светофильтром 5 через отверстие в центре зеркала. Для изготовления зеркала использу- ются вакуумное напыление слоев алюминия, серебра, золота, ме- ди. Рефлекторные системы не имеют постоянных промежуточ- ных источников (источников) поглощения между измеряемым те- лом и приемником излучения. Поверхность зеркала почти полно- стью отражает лучи всех длин волн, начиная от λ = 0,5 мкм. При измерениях относительно низких температур, когда излучение ко- ротких волн ничтожно мало, рефлекторные системы почти полно- стью соответствуют закономерностям Стефана–Больцмана. 92 Рис. 3.8.5. Радиационный пирометр с рефлекторной оптической системой К сожалению, в эксплуатации открытые поверхности зеркал оказываются неудобными из–за их загрязнения и потускнения. Применение защитных стекол сводит, на нет достоинства рефлек- торных систем. Поэтому рефлекторные системы используются лишь при бесконтактных измерениях низких температур, когда максимум излучения значительно смещается в сторону длинных волн. В последнее время для защиты зеркала от пыли применяют синтетические пленки, прозрачные в измеряемом диапазоне длин волн 8. Точность измерения радиационными пирометрами всех кон- струкций существенно зависит от температуры внешней поверхно- сти телескопа. При постоянной температуре измеряемого тела и, следовательно, постоянной температуре приемника излучения, термоЭДС термобатареи изменится, если возникнут изменения температуры телескопа и в связи с этим изменится температура свободных концов термопар. Для компенсации температуры свободных концов термопар в пирометрах, серийно изготовляемых в России, применяют два метода. По первому методу шунтируют термобатареи сопротивле- нием R Ш из медной проволоки. Для этого сопротивление устанавливают в корпусе телеско- па так, чтобы температуры свободных концов термопар и сопро- тивления были практически одинаковыми. Этим создается замкну- тая цепь (рис. 3.8.6) в которой устанавливается ток: 93 ш т R R i + Ε = где Е – термоЭДС, развиваемая термобатареей; R т – сопротивление термобатареи. Рис. 3.8.6. Схема компенсации температуры свободных концов медным сопротивлением Ток I создается на участке ab падения напряжения: ш т ш ab R R 1 Е R i U + = ⋅ = Так как Е= ) T ( f P , то U ab =f(T P ). Величина падения напряжения U ab измеряется милливольт- метром или потенциометром, отградуированным в единицах ра- диационной температуры Т р Если температура свободных концов термопар увеличивает- ся, то термоЭДС Е термопар уменьшится. Одновременно увели- чится сопротивление R ш , тем самым, уменьшая значения знаме- нателя (4) можно подобрать такое сопротивление R ш , которое бу- дет компенсировать изменение термоЭДС Е По второму методу телескоп снабжается компенсирующим устройством, состоящим из биметаллических пластинок и диа- фрагмирующих заслонок (телескопы типа ПРК–600) (рис. 3.8.7). При увеличении температуры корпуса телескопа, а вместе с ним и 94 температуры свободных концов термобатареи, термоЭДС батареи уменьшается. Уменьшение термоЭДС компенсируется с помощью биме- таллических пластин 2, которые при повышении температуры кор- пуса деформируются и раскрывают диафрагмирующие заслонки 1. В результате увеличивается поток тепловой энергии, поступающей к приемнику излучения 3, и повышается температура рабочих кон- цов термопар термобатареи. Это и компенсирует увеличение тем- пературы свободных концов. Рис. 3.8.7. Схема компенсации температуры свободных концов термопар радиационного пирометра с помощью биметаллических пластин Оптические свойства телескопа характеризуются номиналь- ным показателем визирования: L D n = , где D – диаметр круга в плоскости, перпендикулярной к оп- тической оси телескопа; L – расстояние от плоскости до передней линзы или до зер- кала телескопа, при котором сфокусированное изображение круга диаметром D полностью перекрывает отверстие диафрагмы перед термобатареей. Телескопы с номинальным показателем визирования n>1/16 называют широкоугольными, а n≤1/16 – узкоугольными. Минимально допустимый диаметр излучателя при L = 1 м, будет D min = 0,1 при n = 1/10 или D min = 0,05 при n = 1/20 Уменьшение размеров излучателя (или увеличения расстоя- ния L ) приведет к тому, что приемник излучения не будет полно- 95 стью перекрыт изображением измеряемого тела, и возникнут по- грешности. При больших размерах излучателя может возникнуть чрезмерный обогрев внешних поверхностей телескопа, и появятся дополнительные погрешности. Расстояние между измеряемым телом и телескопом считают оптимальным 0,8 – 1,5 м. 3.8.3. Цветовые пирометры Цветовой температурой реального тела T Ц называется такая температура чёрного тела, при которой отношение энергетических яркостей его при двух эффективных длинах волн λ 1 и λ 2 равно от- ношению энергетических яркостей реального тела, обладающего температурой Т, при тех же длинах волн. Согласно этому определению получим: ) T , ( B ) T , ( B ) T , ( B ) T , ( B ) T , ( B ) T , ( B Ö 2 0 Ö 1 0 2 0 1 0 2 1 2 1 λ λ = λ ε λ ε = λ λ λ λ ; Ц Т 2 2 c 5 2 1 Ц Т 1 2 c 5 1 1 Т 2 2 c 5 2 1 Т Т 1 2 c 5 1 1 Т e c e c e c e c λ − − λ − − λ − − λ λ − − λ λ λ = λ ε λ ε После сокращения и логарифмирования последнее соотно- шение принимает вид: λ − λ ε ε = − λ λ 2 1 2 1 1 Ц 1 1 c ln T 1 T 1 , Эта формула позволяет вычислить действительную темпе- ратуру реального тела Т , зная значение отношения его спектраль- ных коэффициентов излучения 1 λ ε и 2 λ ε и цветовую температуру Т Ц , измеренную пирометром. Для серых тел, у которых значение спектрального коэффи- циента излучения в данном участке спектра не меняется с длиной 96 волны ( 1 λ ε = 2 λ ε ) правая часть формулы обращается в ноль и по- этому цветовая температура Т Ц таких тел равна их действитель- ной температуре. При температуре выше 1000 ° С излучение большого количе- ства окислов и карбидов металлов практически серое, в частности, серый характер обычно имеет излучение окисных плёнок (ванадия, хрома, кремния и т.п.) на поверхности стальной ванны. Для тел, у которых спектральный коэффициент излучения убывает с ростом длины волны ( 2 λ ε < 1 λ ε ) ( большинство метал- лов), цветовая температура больше действительной. Для тел, ко- торых спектральный коэффициент излучения возрастает с ростом длины волны ( 2 λ ε > 1 λ ε ) ( многие неметаллические тела), цветовая температура меньше действительной. Пирометры спектрального отношения выполняется по двух- канальной и одноканальной схеме. Одноканальный принцип изме- рения повышает стабильность характеристик пирометров при сни- жении требований к постоянству характеристик элементов схемы. Поэтому созданные за последние годы пирометры спектрального отношения в большинстве случаев выполнены по одноканальной схеме, рис. 3.8.7. Рис. 3.8.7. Схема одноканального цветового пирометра 1 – объект измерения; 2 – объектив; 3 – фильтр; 4 – обтюратор; 5 – фото- элемент; 6 – усилитель; 7 – реверсивный двигатель В пирометрах спектрального отношения вводится модуляция светового потока. Световой поток от объекта измерения 1 преры- вается обтюратором 4 с двумя светофильтрами, пропускающими излучение на двух длинах волн λ 1 и λ 2 к фотоэлементу 5. Пере- менная составляющая выходного сигнала фотоэлемента усилива- ется в усилителе 6 и подаётся на реверсивный двигатель 7, кото- рый перемещает уравновешивающий фильтр 3 до тех пор, пока не 97 уравновесятся интенсивности излучения на обеих длинах волн. В положении равновесия перемещение фильтра 3 является мерой измеряемой температуры. Интерференционный фильтр 3 является полупрозрачным зеркалом, имеющем высокий коэффициент пропускания в одной и высокий коэффициент отражения в другой области спектра. ПСО используются для измерения температур твердого и расплавленногометалла в широком интервале температур от 300 до 2200 0 С иимеют класс точности 1 и 1,5 (в зависимости от пре- дела измерения). Данные пирометры имеют в 3-5 раз меньшую методическую погрешность, связанную с изменением степени чер- ноты излучателя. На их показания значительно меньше влияют поглощения промежуточной среды. Однако в тех случаях, когда объект характеризуется селективным излучением (степень черно- ты при одной и той же температуререзко изменяется с длиной волны), погрешность ПСО может быть выше погрешности пиро- метров излучения других типов. ПСО более сложны именее на- дежны, чем другие приборы. |