Дембовский В.В. Технологические измерения и приборы в металлургии

Подождите немного. Документ загружается.

В составе прибора имеется генератор тактовых импульсов ГТИ,

вырабатывающий последовательность импульсов постоянной час-

тоты. Импульсы суммируются счетчиком до тех пор, пока компенси-

рующее напряжение U

на выходе цифроаналогового преобразова-

теля меньше измеряемой ТЭДС термопары E

. В момент достиже-

ния равенства E

= U

ГТИ автоматически блокируется нуль-

органом НО, формируется сигнал на считывание накопленного чис-

ла импульсов цифровым индикатором, счетчик обнуляется и повто-

ряется следующий цикл измерения [1], с. 117.

Вопросы для самопроверки

1. Из каких элементов состоит термоэлектрический термометр?

2. Назовите причину возникновения термоэлектродвижущей силы в термопаре.

3. Охарактеризуйте стандартные (проволочные) термопары.

4. Как вводят поправку на температуру свободных спаев термопары?

5. Почему показания магнитоэлектрического милливольтметра зависят от со-

противления термоэлектрической цепи?

6. Опишите схему электронного потенциометра и назовите достоинства прин-

ципа действия, положенного в основу его работы.

7. Охарактеризуйте принцип действия цифрового вторичного прибора к тер-

мопаре.

7. Пирометры излучения

Действие пирометров излучения основано на использовании за-

конов теплового излучения.

Как известно, любое нагретое тело становится источником элек-

тромагнитных волн (ультрафиолетовое, световое, инфракрасное

излучение, микрорадиоволны). Интенсивность излучения J, то

есть мощность излучения с единицы поверхности тела, отнесенная

к данной длине волны, выражается законом Планка. Для абсолют-

но черного тела этот закон выражается формулой, Вт/м

, или

Вт/м

/м:

/( )

−

(7.1)

где C

= 0,374 ⋅ 10

– 15

Вт ⋅ м

;

= 1,439 ⋅10

–2

м ⋅ К ;

λ – длина волны, м;

T – абсолютная температура тела, K.

Таки образом, интенсивность излучения оказывается функцией

длины волны и температуры (рис. 7.1).

Отметим, что в пределах длин волн от А = 200 до В = 400 нм ле-

жит ближний ультрафиолетовый диапазон спектра, от В = 400 до

С = 750 нм – световой диапазон, от С = 750 нм до D ∼ 1 мм – ин-

фракрасный диапазон, выше предела D располагается диапазон

микрорадиоволн.

Напомним, что 1 нм (нанометр) равен 10

–9

м.

Значению А = 400 нм соответствует фиолетовая граница види-

мой части спектра, а В = 750 нм – красная граница.

Интегрирование формулы закона Планка в пределах всевоз-

можных (теоретически) длин волн приводит к выражению полной

Рис. 7.1. Графическая иллюстрация закона Планка ( λ

- дли-

на волны, на которую приходится максимум интенсивности излуче-

ния)

излучательной способности тела, известному как закон Стефана

и Больцмана, Вт/м

00 0

∞

=λ=σ

∫

EJd

(7.2)

где σ

= 5,67 ⋅ 10

–8

, Вт / (м

⋅К

) – коэффициент излучения абсолют-

но черного тела.

Величина E

графически соответствует заштрихованной на рис.

7.1 площади под кривой распределения интенсивности излучения

по длинам волн при данной температуре.

Все пирометры излучения в процессе изготовления градуируют-

ся по стандартному излучателю – модели абсолютно черного те-

ла.

На практике приходится измерять температуру реальных тел,

свойства которых отличаются от свойств абсолютно черного тела.

Интенсивность излучения J и излучательная способность E ре-

альных тел при одной и той же температуре меньше аналогичных

величин, присущих абсолютно черному телу. Это выражается соот-

ношениями:

λλ

εJJ

(7.3)

εEE

(7.4)

где ε

< 1 спектральная и ε < 1 – интегральная степени черноты

тела.

Реальные тела подразделяются на серые и селективно (то

есть, избирательно) излучающие.

У серых тел значение ε

не зависит от длины волны, тогда как у

селективно излучающих тел

()

=λ

. К серым телам, как правило,

относятся различные оксиды, следовательно – огнеупорные мате-

риалы, шлаки. Селективно излучают чистые (неокисленные) метал-

лические поверхности в твердом и жидком состояниях, например,

при вакуумной плавке, а также – пламя при сжигании различных

видов топлива в металлургических печах.

Примерные значения спектральной и интегральной степени чер-

ноты для часто встречающихся случаев приведены в табл. 7.1.

С использованием законов излучения можно определить три ви-

да кажущихся, то есть псевдотемператур. Такими температурами

оказываются:

1) яркостная (монохроматическая);

2) радиационная (полного излучения);

3) цветовая (спектрального отношения).

Сравнительные характеристики методов измерения этих темпе-

ратур представлены в табл. 7.2.

Поясним, что монохроматическим излучением называют излу-

чение одной (данной) длины волны λ Такое излучение выделяется

из полного с помощью специальных светофильтров (цветных сте-

кол, монохроматоров), каждый из которых характеризуется опреде-

ленным значением эффективной длины волны λ

эфф

пропускаемого

излучения. Например, у красного светофильтра λ

эфф

= 650 нм.

Поскольку в практике измерения температур имеет место не-

полнота излучения (степени черноты меньше единицы), использо-

вание пирометров, градуированных по излучению абсолютно чер-

ного тела, сопровождается дополнительными (методическими) по-

грешностями. Для оценки этих погрешностей могут быть использо-

ваны формулы, выводимые из выражения закона Планка:

- для яркостного метода

я 2

11 1

ln ;

−=

TTC

(7.5)

- для радиационного метода

(7.6)

- для цветового метода

11 ln

(

)

()

λλ

−=

−

(7.7)

где T – истинная температура, K.

Результаты сравнительного анализа методических погрешно-

стей рассматриваемых методов измерения температур (табл. 7.2)

показывают, что в практических условиях (то есть при ε

<1; ε< 1)

яркостная и радиационная температуры оказываются ниже ис-

тинной, то есть T

< Т ; Т

< Т. Однако при одной и той же истинной

температуре Т имеет место важное соотношение

< T

< Т (7.8)

Особенность цветового метода, при котором температура T

определяется по отношению интенсивностей излучения при двух

различных длинах волн λ

и λ

, заключается в том, что методиче-

ская погрешность отсутствует не только при измерении температу-

ры абсолютно черного тела, но также и при измерении температу-

ры серых тел.

Действительно, у каждого из таких тел степень черноты при лю-

бой длине волны одинакова, то есть ε

λ1

= ε

λ2

. Поэтому из формулы

(7.7) следует, что ln(ε

λ1

/ ε

λ2

) = 0 и Т

=Т.

Без методической погрешности цветовым пирометром можно

измерять температуру сквозь слой пыли или дыма. Эти среды от-

носятся к числу серых тел. Они в одинаковой степени ослабляют

интенсивности J

λ1

и J

λ2

, не изменяя их отношения как меру цвето-

вой температуры

Методическая погрешность цветового метода появляется лишь

при измерении температуры селективно излучающих тел. У них,

как правило, спектральная степень черноты с ростом длины волны

уменьшается (рис. 7.2).

Таблица 7.1

Спектральная и интегральная степени черноты

для различных материалов (ориентировочно)

Материал

Температура, °С

Спектральная

степень черноты

при λ = 650 нм

Интегральная

степень чер-

ноты

Сталь углеродистая

жидкая, неокисленная

1450 … 1550 0,3 … 0,4 0,38

Сталь хромистая и

хромоникелевая, окис-

ленная

1500 1600 0,7 … 0,8

Шлак сталеплавильных

печей

1400 … 1600 0,55 … 0,9 0,55 … 0,9

Чугун жидкий неокис-

ленный

>1375

0,4 … 0,45 0,28

Чугун жидкий окис-

ленный

>1380

0,87 … 0,95 0,87 … 0,95

Струя чугуна и стали

при выпуске из печи

или сливе из ковша

>1400

0,5 … 0,55 0,6

Медь расплавленная

неокисленная

1075 … 1275 0,10 … 0,15 0,65 … 0,8

Различные огнеупор-

ные материалы

1000 0,83 … 0,87 0,83 … 0,87

Таблица 7.2

Сравнительная характеристика методов измерения

температуры по тепловому излучению тел

Метод

Обозна-

чение

темпера-

туры, К

Мера температу-

ры

Факторы, мето-

дически влияю-

щие на точность

измерения

Оценка ме-

тодической

погрешности

Яркостный

(монохро-

матичес-

кий)

Интенсивность

монохроматиче-

ского излучения

, Вт/м

Спектральная

степень черноты

контролируе-

мого тела

= Т при

= 1;

< Т при

< 1

Радиацион-

ный (пол-

ного излу-

чения)

Полная излуча-

тельная способ-

ность тела Е,

Вт/м

Интегральная

степень черно-

ты

контроли-

руемого тела

= Т при

= 1;

< Т

при ε < 1

Цветовой

спектраль-

ного отно-

шения)

Отношение ин-

тенсивностей из-

лучения

λ1

λ2

при двух различ-

ных длинах волн

и λ

Отношение

спектральных

степеней черно-

ты ε

λ1

/ε

λ2

при

данных длинах

волн λ

и λ

= Т при

λ1

= ε

λ2

;

> Т при

λ1

> ε

λ2

, где

< λ

λ2

0 λ

Рис. 7.2. Зависимость спектральной степени черноты от длины

волны селективно излучающих тел.

Именно поэтому при λ

имеет место ε

λ2

, ln(ε

/ ε

λ2

) >1,

и тогда из формулы (7.7) следует, что Т

> Т . Однако погреш-

ность цветового метода сравнительно невелика и, например,

для железа и никеля не превышает 14

С.

Яркостные и радиационные пирометры часто используют в ка-

честве индикаторов температуры, показания которых не претен-

дуют на точное отражение действительной температуры тела, а

скорее служат мерой изменения температуры и отклонения её от

значений, требуемых по условиям технологии производства.

Если измерить температуру серого тела двумя пирометрами:

яркостным и радиационным, то из уравнений (7.5) и (7.6) путем

объединения их в систему двух уравнений с двумя неизвестными Т

и ε при остальных известных величинах можно найти действитель-

ное значение температуры и степени черноты этого тела.

Из двух пирометров: яркостного и радиационного типов соотно-

шение (7.8) дает основания рекомендовать к практическому приме-

нению яркостный пирометр для измерения температуры открытых

объектов, так как радиационный пирометр в условиях неполноты

излучения реальных тел (табл. 7.1) обладает значительно большей

погрешностью.

Вместе с тем, имеется возможность повышения точности изме-

рения с помощью именно этих – простых пирометров за счет искус-

ственного создания объектов измерения в виде замкнутых изотер-

мических полостей (рис. 7.3), внутри которых эффективное значе-

ние степени черноты приближается к единице (модель абсолютно

черного тела). В первом из решений (рис. 7.3, а) замкнутая полость

создается в металле Ме под шлаком Ш с помощью подачи дутья

(сжатый воздух, азот, аргон) через сквозную керамическую или ме-

таллическую трубу 1, которая при высоких температурах может

быть водоохлаждаемой. На эту полость визируется пирометр 2. Во

втором решении (рис. 7.3,б) пирометр 3 визируют на дно металли-

ческого или керамического стакана 4, погружаемого в расплав или –

в рабочее пространство печи.

Конструктивно пирометры излучения состоят из датчика (пер-

вичного прибора), электронного блока

и вторичного прибора в ви-

де быстродействующего электронного потенциометра.

В состав датчика входят объектив, монохроматоры (у яркостных

и цветовых пирометров) и приемник излучения. У автоматических –

фотоэлектрических яркостных и цветовых пирометров приемником

излучения служит фотоэлемент, а у радиационных пирометров –

рабочие спаи миниатюрных термопар, соединённых между собой

последовательно для повышения чувствительности прибора.

Этот блок отсутствует у радиационных пирометров, конструктивно оказывающихся наиболее простыми.

Рис.7.3. Использование пирометров излучения

для измерения температуры расплавов

В электронном блоке формируется электрический сигнал, отра-

жающий значение измеряемой температуры. Этот сигнал воспри-

нимается вторичным прибором, который показывает эту темпера-

туру, а при необходимости регистрирует её на диаграммной бумаге.

Наиболее сложным электронный блок оказывается у цветовых

пирометров. Здесь применяется микропроцессорная техника для

вычисления отношения интенсивностей излучения при двух раз-

личных длинах волн в преобразования его в результирующий сиг-

нал в соответствии с уравнением (7.7). Поэтому цветовые пиромет-

ры в конструктивном отношении оказываются наиболее сложными

и дорогими.

Технические характеристики пирометров излучения приведены в

литературе [1].

Вопросы для самопроверки

1.Как зависит интенсивность излучения нагретого тела от длины волны и

температуры?

2.Каким образом связаны между собой интенсивность излучения и полная из-

лучательная способность тела?

3.В чём заключается различие между абсолютно чёрным, серым и селективно

излучающим телом?

4.Какова степень черноты неокисленных металлов и оксидов, и как она влияет

на точность измерения температуры?

5.Сравните результаты измерения температуры металлов в процессе плавки и

разливки яркостным, радиационным и цветовым методами.

6.Каково соотношение между этими температурами при одинаковых условиях

измерения?

7.Как можно определить истинную температуру серого тела по известным зна-

чениям его яркостной и радиационной температур?

8.Каким образом можно искусственно повысить точность измерения темпера-

туры металлических расплавов пирометрами излучения?

8. Контроль уровня жидкостей

и сыпучих материалов

Объектами автоматического контроля уровня в литейном произ-

водстве обычно оказываются как открытые, так и находящиеся под

давлением резервуары для хранения жидких компонентов формо-

вочных и стержневых смесей, а также бункеры для сыпучих компо-

нентов тех же смесей и шихтовых материалов плавки. В ряде слу-

чаев уровень шихты контролируется непосредственно в плавиль-

ной печи, например, в шахте вагранки.

Устройства для контроля уровня подразделяются на уровнеме-

ры и сигнализаторы уровня. Первые из них обеспечивают возмож-

ность непрерывного измерения уровня в определенном диапазоне,

а вторые – сигнализируют о достижении уровнем контролируемой

среды некоторых предельных значений. Ряд приборов контроля

уровня сочетает в себе признаки как уровнемеров, так и сигнализа-

торов уровня.

Различие в диэлектрической проницаемости материалов, при-

меняемых в литейных процессах (табл. 8.1) позволяет контролиро-

вать уровень этих материалов ёмкостным методом. Известно, что

ёмкость конденсатора (например плоского) определяется выраже-

нием, Ф

(8.1)

где S – поверхность одной пластины конденсатора, м

;

d – расстояние между пластинами, м;

– абсолютная диэлектрическая проницаемость среды между пла-

стинами, Ф/м:

=ε⋅ε

(8.2)

причём ε

= 8,85 ⋅ 10

–12

Ф/м – электрическая постоянная;

ε – относительная диэлектрическая проницаемость (табл.8.1). Для

вакуума и воздуха ε = 1.

Таблица 8.1

Диэлектрическая проницаемость при 20°С

Вещество

Значение ε (по от-

ношению к вакуу-

му)

1. Воздух 1

2. Вода 81

3. Жидкое стекло 5 … 19

4. Песок кварцевый 6 … 7

Этот и другие методы охарактеризованы в табл. 8.2.

Таблица 8.2

Принципиальные особенности

методов и приборов контроля уровня

Метод Прибор Принцип действия

прибора

Область примене-

ния

Поплавковые

уровнемеры (сиг-

нализаторы уров-

ня)

Использование перемеще-

ния поплавка, плавающе-

го в контролируемой сре-

де

Буйковые уров-

немеры (сигнали-

заторы уровня)

Использование подъём-

ной силы буйка, погру-

женного в контролируе-

мую среду

Жидкости в откры-

тых резервуарах и

сосудах, находя-

щихся под давлени-

ем

Лебёдочные (зон-

довые) уровнеме-

ры и сигнализа-

то

ур

овня

Определение уровня по

контакту с ним переме-

щаемого в пространстве

зон

Измерение и сигна-

лизация уровня

шихтовых материа-

лов в ваг

анках

Механи-

ческий

Крыльчатые сиг-

нализаторы уров-

ня

Торможение крыльчатки

контролируемой средой

Сигнализация

уровня сыпучих ма-

териалов на участ-

ках смесеприготов-

ления и регенера-

ции формовочных

материалов