Дембовский В.В. Технологические измерения и приборы в металлургии

Подождите немного. Документ загружается.

Продолжение таблицы 8.2

Электромехани-

ческие сигнализа-

торы наличия ма-

териалов

Отклонение металличе-

ской гребёнки и срабаты-

вание электрического вы-

ходного устройства

Электро-

кондук-

тометри-

ческий

Электроконтакт-

ные сигнализато-

ры наличия мате-

риалов

Измерение сопротивления

между тросовым электро-

дом и контактирующим с

ним материалом

Сигнализация на-

личия материала на

ленте транспортёра

Ёмкост-

ный

Ёмкостные уров-

немеры и сигна-

лизаторы уровня

Влияние уровня среды

между обкладками кон-

денсаторного на его ём-

кость

Измерение и сигна-

лизация уровня

жидкостей

Использование «холод-

ной» контролируемой

среды в качестве непро-

зрачного экрана между

источником света и све-

топриёмником

Сигнализация

уровня сыпучих ма-

териалов в бунке-

рах

Фото-

электри-

ческий

Сигнализаторы

уровня типа фо-

тореле

Использование «горячей

среды в качестве освети-

теля светоприёмника

Сигнализация

уровня металла при

заливке форм

Пьезометриче-

ские уровнемеры

и сигнализаторы

уровня

Определение уровня по

давлению газа, проду-

вающего контролируемую

среду

Жидкости в откры-

тых резервуарах и

сосудах под давле-

нием

Гидро-

статиче-

ский

Мембранные Определение уровня по

давлению среды на мем-

брану

Жидкости в откры-

тых резервуарах

или сыпучие мате-

риалы при отсутст-

вии налипания на

мембрану

Радио-

изотоп-

ный

Уровнемеры и

сигнализаторы

уровня

Определение уровня кон-

тролируемой среды по

поглощению ею гамма -

излучения

Любые материалы в

открытых резервуа-

рах и сосудах под

давлением

Радио-

волновые

Уровнемеры Локация уровня среды

ультракороткими радио-

волнами

Любые среды в ши-

роком интервале

температур (до

1500°С) и давлений

от вакуума до 36

МПа

Устройство для контроля уровня продукта, нагреваемого в ап-

парате кипящего слоя, например, при сушке кварцевого песка или –

регенерации оборотных формовочных смесей может быть выпол-

нено согласно авторскому свидетельству СССР № 272620.

Вопросы для самопроверки

1. Чем отличается уровнемер от сигнализатора уровня?

2. На чём основан ёмкостный метод контроля уровня жидкостей?

3. Какие из приборов контроля уровня жидкостей могут быть использованы в

сосудах, находящихся под давлением?

4. Оцените эксплуатационную надёжность фотоэлектрических сигнализаторов

уровня в производственных условиях литейных цехов.

9. Измерение силы и массы

Техника измерения механических усилий иногда имеет само-

стоятельное значение, например, при оценке давления формовоч-

ной смеси на модельную плиту в некоторых процессах уплотнения

смесей при формовке. Чаще различные силоизмерительные датчи-

ки применяются в составе взвешивающих устройств (автоматиче-

ских весах и дозаторах), где через посредство измерения силы тя-

жести F

, Н определенной порции, например, формовочного мате-

риала определяется ее масса m, кг согласно выражению

(9.1)

где g = 9,81 м/с

– ускорение земного тяготения.

Силоизмерительные датчики по методу измерения нагрузки

подразделяются на две группы:

1) датчики с ощутимым перемещением своих конструктивных эле-

ментов и преобразованием деформации упругого (пружинного) чув-

ствительного элемента в электрический сигнал;

2) датчики без видимого перемещения элементов конструкции.

Принцип действия силоизмерительного датчика первой группы

(рис. 9.1) заключается в том, что под действием силы тяжести F

материала, находящегося на платформе 1, упруго деформируется

пружина 2. Ее деформация (сжатие) пропорционально значению

этой силы. С платформой с помощью штока 3 связан железный

сердечник 4 дифференциально-трансформаторного преобразова-

теля 5. Последний содержит первичную обмотку (среднюю на рис.

9.1) и две секции вторичной обмотки. Витки этих секций соединены

навстречу друг другу.

При ненагруженной платформе настройку осуществляют таким

образом, что сердечник находится в среднем положении.

Рис. 9.1. Пример исполнения пружинного датчика

автоматического взвешивающего устройства

В результате ЭВС индукции Е

2а

и Е

2в

, возбуждаемые в секциях

вторичной обмотки, оказываются одинаковыми и выходной сигнал

вых.

= Е

2а

– Е

2в

= 0. (9.2)

Под нагрузкой платформа и сердечник смещаются вниз, одна из

ЭДС индукции на выходе датчика возрастает, другая уменьшается.

Поэтому на выходе возникает электрический сигнал

вых

= Е

2а

– Е

2в

, (9.3)

пропорциональный смещению от первоначального положения сер-

дечника, и, следовательно, - измеряемой нагрузке.

Датчики первой группы целесообразно применять во взвеши-

вающих устройствах, подверженных воздействию ударных нагру-

зок, например, ударов тяжелых кусков металлошихты при дозиро-

вании материалов плавки. Благодаря демпфирующему действию

пружин здесь исключается возникновение остаточной деформации

элементов датчика.

Работа силоизмерительных датчиков второй группы основана на

использовании некоторых эффектов, непосредственно преобра-

зуемых в электрический сигнал. На практике наибольшее распро-

странение получили тензорезистивный эффект и явление магнит-

ной анизотропии.

Тензорезистивный эффект проявляется в изменении электриче-

ского сопротивления металлической проволоки или фольги, накле-

енных на поверхность несущего элемента конструкции силоизмери-

теля, который упруго деформируется под действием контролируе-

мой нагрузки.

Явление магнитной анизотропии заключается в том, что упругая

деформация некоторых материалов, например, железохромалюми-

ниевой стали, сопровождается изменением их магнитной прони-

цаемости по различным направлениям. Для материала с положи-

тельной магнитострикцией магнитная проницаемость в направле-

нии действия силы уменьшается, а в перпендикулярном направле-

нии – возрастает.

В схеме тензорезисторного датчика (рис. 9.2, а) на противопо-

ложных гранях стальной призмы 5 специальным клеем наклеены

четыре тензорезисторных преобразователя 1…4.

Рис. 9.2. Тензорезисторный (а) и магнитоанизотропный (б) датчики

Призма под нагрузкой силами F упруго деформируется. Витки

двух из преобразователей (2 и 4) ориентированы в направлении

деформации, а витки двух других (1 и 3) – в перпендикулярном на-

правлении. Материал преобразователей упруго деформируется

вместе с призмой. В результате изменяется его электрическое со-

противление R, Ом в соответствии с формулой

,=ρ

(9.3)

где ρ - удельное сопротивление, Ом ⋅ мм

/ м ;

l - длина, м;

S - площадь поперечного сечения преобразователя, мм

Так, в направлении деформации сокращается длина преобразо-

вателя, площадь поперечного сечения увеличивается. Изменяется

также удельное сопротивление вследствие деформации кристал-

лической решетки.

Отдельные преобразователи соединяют в мостовую схему. Это

повышает чувствительность и позволяет уменьшить дополнитель-

ную температурную погрешность, возникающую из-за температур-

ного изменения величины ρ.

•

пит

•

• • • • U

вых

•

Рис.9.3. Соединение тензорезисторных датчиков в мостовую схему

пит

– напряжение питания; U

вых

– выходное напряжение)

При при равновесном соотношении начальных значений сопро-

тивлений отдельных плеч моста R

… R

01 03

02 04

имеет место U

вых

= 0. Если же под нагрузкой сопротивления проти-

воположных плеч моста приобретают значения R

= R

+ ΔR;

= R

+ ΔR, то выходное напряжение становится равным

вых пит

(9.4)

где R

– начальные значения всех сопротивлений. Этот сигнал в

два раза выше, чем при изменении сопротивления только одного

плеча.

В сердечнике 6 магнитоанизотропного датчика (рис. 9.2, б), мо-

нолитном или шихтованном наподобие сердечника обычного

трансформатора (для подавления вихревых токов в железе), про-

сверлено четыре сквозных отверстия. В них размещены витки двух

обмоток 7 и 8 во взаимно перпендикулярных плоскостях. К одной из

этих обмоток – обмотке возбуждения 7 подводится стабилизиро-

ванное напряжение переменного тока, а другая – 8 является вы-

ходной.

При отсутствии нагрузки F материал сердечника изотропен. Маг-

нитные силовые линии обмотки возбуждения не пересекают плос-

кость витков вторичной обмотки, и в ней не возбуждается ЭДС ин-

дукции.

С нагружением датчика материал сердечника становится маг-

нитно анизотропным. Силовые линии магнитного поля обмотки воз-

буждения пересекают плоскость витков выходной обмотки, и в ней

возбуждается ЭДС индукции, практически пропорциональная внеш-

нему усилию. Для повышения чувствительности отдельные датчики

объединяют в секции, причем выходные обмотки датчиков после-

довательно соединяют между собой.

Тензометрические датчики обладают более высокой точностью,

но меньшей надежностью в условиях ударных нагрузок, способных

вызвать отслоение преобразователя от несущего элемента или ос-

таточную деформацию и нарушить градуировочную характеристику.

Магнитоанизотропные датчики несколько уступают в точности тен-

зорезисторным, но обладают более высокой помехозащищенно-

стью и эксплуатационной надежностью.

Вопросы для самопроверки

1. Какие из силоизмерительных (массоизмерительных) датчиков более надёжны

в условиях действия ударных нагрузок?

2. Опишите принцип действия дифференциально – трансформаторного датчика.

3. Почему и как изменяется сопротивление тензодатчика под нагрузкой?

4. Для чего тензодатчики включают в состав мостовой электрической схемы?

5. Из какого материала изготовляют сердечник магнитоупругого датчика?

10. Измерение скорости

деталей машин и механизмов

Контроль скорости поступательного движения различных объек-

тов обычно осуществляется по частоте вращения вала электродви-

гателя в системе их привода. Приборы для измерения частоты

вращения известны под общим названием тахометров. В составе

оборудования металлургических цехов широкое распространение

получила частная разновидность тахометров в виде тахогенера-

торов.

Тахогенератор представляет собой микроэлектромашину гене-

раторного типа, вал которой кинематически связан с одним из ва-

лов системы привода контролируемого объекта. Якорь (ротор) та-

хогенератора вращается с частотой, пропорциональной частоте

электропривода. В результате этого генерируется выходной сигнал

в форме напряжения (аналоговый сигнал) или частоты электриче-

ского тока в отдельных решениях – частоты импульсов.

Среди тахогенераторов с аналоговым выходом различают тахо-

генераторы постоянного и переменного тока. Погрешность прибо-

ров постоянного тока обычно лежит в пределах

2…3 %, а у приборов переменного тока 1,5…2 %. [1], с. 38…40.

В ряде задач требуется измерять частоту вращения с погрешно-

стью не более 0,5 %. Решение этой задачи единственно возможно

по базе применения частотных и импульсных тахогенераторов. Бо-

лее высокая точность тахогенераторов с частотным выходом и им-

пульсных обусловлена тем, что частота генерируемого напряжения

или последовательности электрических импульсов однозначно оп-

ределяется значением измеряемой скорости и не зависит от тем-

пературы, возбуждающего напряжения, сопротивления соедини-

тельной цепи, её емкости, индуктивности и других факторов.

11. Контроль состава и свойств вещества

Для управления металлургическими (литейными) процессами

необходима оперативная информация о химическом составе ших-

товых материалов, металла и шлака в процессе плавки, составе га-

зов плавильных печей, плотности вещества, влажности формовоч-

ных и стержневых смесей и т.п.

11.1. Экспресс-анализ металла и шлака

Известно, что наибольшую точность обеспечивают химические

методы анализа. Однако при необходимости получения результата

определения содержания практически любых элементов металла и

компонентов в шлаке широко применяются экспрессные физиче-

ские (инструментальные) методы.

Таблица 11.1

Сравнительные характеристики

спектральных методов анализа металлов и шлаков

Метод Сущность метода Мера содержа-

ния определяе-

мого элемента

Достоинства Недостатки

Спек-

тральный

рентгено –

флуорес-

центный

Бомбардировка

образца металла

или шлака корот-

кими волнами

рентгеновского

излучения. В ре-

зультате атомы

каждого элемента

испускают вто-

ричное характе-

ристическое из-

лучение тех длин

волн, которые ха-

рактерны для

данного элемента.

Интенсивность

характеристиче-

ского излучения

определённых

длин волн, зави-

сящая от кон-

центрации дан-

ного элемента

Простота уст-

ройства при-

боров, высо-

кая чувстви-

тельность и

точность. Не-

зависимость

результата

анализа от ви-

да химиче-

ских соедине-

ний, в составе

которых дан-

ный элемент

находится.

Невозмож-

ность опре-

деления

лёгких эле-

ментов, от

углерода

включи-

тельно

Спек-

тральный

эмиссион-

ный ваку-

умный

Возбуждение

спектров атомов и

молекул в облаке

электрического

разряда

Интенсивность

спектральных

аналитических

линий возбуж-

дённых атомов и

молекул вещест-

ва

Более широ-

кая гамма оп-

ределяемых

элементов. но

менее высокая

точность и

вствитель-

Более высо-

кая слож-

ность при-

боров и

меньшая их

точность

ность

Примечание. Поддержание вакуума в спектрометре позволяет исключить эф-

фекты ионизации молекул воздуха и поглощения лучистой энергии на пути от

облака электрического разряда до лучеприёмника

Существуют также упрощенные, но менее точные косвенные

методы контроля состава металлов. Так, содержание углерода в

стали и углеродный эквивалент чугуна определяют по температуре

ликвидуса [10], по термоэлектродвижущей силе [11], по магнитным

свойствам [12]. Для измерения активности в жидкой стали приме-

няют активометры периодического [10] и непрерывного [8] дейст-

вия.

11.2. Определение состава газов

В металлургическом, в том числе и литейном, производстве,

контролируют составы продуктов сгорания топлива в плавильных и

термических печах, атмосферы литейной формы, газов, растворён-

ных в металлах и сплавах и пр.

Состав газовой смеси вообще может быть определен по её

спектральным и интегральным характеристикам.

Спектральная характеристика однозначно определяет каж-

дый компонент газовой смеси, как качественно, так и количествен-

но.

В отличие от этого, интегральные характеристики являются

совокупными, то есть определяют состав газовой смеси по её об-

щим физико-химическим свойствам.

Для обеспечения бесперебойной работы газоанализатора не-

обходимо специальное формирование газовой пробы: её охлажде-

ние до нормальной температуры, стабилизация давления и расхо-

да (в том числе – с помощью оригинальных устройств [13,14]), уда-

ления влаги, очистка от частиц пыли, в отдельных случаях – удале-

ние некоторых неопределяемых компонентов.

Из всех методов газового анализа самым точным является хи-

мический метод. В различных вариантах реализации он основан на

избирательном поглощении компонентов анализируемой газовой

смеси специально подобранными химическими реактивами или

сжигании горючих компонентов с последующим определение со-

кращения объёма пробы газа при постоянном давлении (волюмет-

рический метод) или её давления при постоянном объёме (мано-

метрический метод). Названные показатели состава газовой смеси

(объём или давление) относятся к числу спектральных характери-

стик. В результате каждый компонент определяется вне зависимо-

сти от присутствия других компонентов анализируемого газа. Одна-

ко химический метод оказывается достаточно длительным, а его

непрерывная, в том числе и автоматическая реализация, как пра-

вило, достаточно сложна.

Промышленные образцы химических газоанализаторов позво-

ляют определить объемную концентрацию отдельных компонентов

газовой смеси с погрешностью не более 0,1%.

В настоящее время широко распространение получили различ-

ные физические методы газового анализа (табл. 11.1).

Таблица 11.1

Промышленные анализаторы газов и их характеристики

Тип

Физиче-

ская ха-

рактери-

стика

Анали-

зируе-

мые

смеси

Мера состава

газа

Опреде-

ляемые

компо-

ненты

Назначение,

диапазон

измерения,

1. Термо-

кондукто-

метричес-

кие

Интег-

ральная

Бинар-

ные или

Теплопровод-

ность анализи-

руемого газа в

сравнении с те-

плопроводно-

стью эталон-

ного газа

; CO Любые сме-

си, 0 … 100