Осипова В.А., Астахова Т.В. Автоматизация металлургических производств. Лабораторный практикум

Подождите немного. Документ загружается.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ КОНТАКТНЫМ МЕТОДОМ



Автоматизация металлургических производств. Метод. указания к лабораторным работам

-51-

Рис. 3.8. Электрическая схема милливольтметра с подключением ТЭП

По виткам рамки протекает электрический ток, создавая вокруг нее

магнитное поле. Между полюсными наконечниками постоянного магнита

помещен цилиндрический стальной сердечник, создающий радиальный маг-

нитный поток. Рамка крепится на кернах и вращается в кольцевом воздуш-

ном зазоре между полюсными наконечниками и сердечником. К рамке жест-

ко крепится стрелка, конец которой перемещается вдоль шкалы прибора,

проградуированной в единицах измеряемой величины. У опор рамки разме-

щены две специальные пружины, которые создают противодействующий

момент, уравновешивающий систему в момент измерения. После окончания

измерения противодействующий момент возвращает рамку в нулевое поло-

жение. Кроме того, спиральные пружины выполняют роль токопроводящих

проводов для подвода термоЭДС от ТЭП к рамке милливольтметра.

Поскольку сила тока в рамке зависит от сопротивления соединитель-

ных проводов, то для правильного измерения необходимо подгонять сопро-

тивление внешней цепи R

вн

до значения, при котором градуировался прибор.

Это значение указывают на шкале прибора. Для подгонки R

вн

до заданной ве-

личины служит подгоночная катушка R

доб.

Милливольтметры некоторых типов (Ш4501, МВУ6-К) снабжаются

двухпозиционным регулирующим устройством [7, с. 38

В лабораторную установку (рис. 3.9

) входят:

1 – нагреватель;

2 – бак с водой;

3 – ртутный термометр;

4, 5 – электрические термопреобразователи сопротивления ТСП-6097;

6 – термоэлектрический преобразователь ТХК-0515;

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ КОНТАКТНЫМ МЕТОДОМ



Автоматизация металлургических производств. Метод. указания к лабораторным работам

-52-

7 – милливольтметр Ш 4500;

8 – логометр Ш 69000;

9 – автоматический мост КСМ2;

10 – выключатель питания стенда и нагревателя (SA1).

Рис. 3.9 Общий вид стенда

1. Поместить термометры в бак с холодной водой, после того, как на эта-

лонном термометре температура достигнет 70 °С.

2. Регистрируя температуру в течение первых трех минут, через 5 с и

далее через 15–20 с снять динамическую характеристику со всех термомет-

ров. Данные занести в табл. 3.1.

5. Построить графики изменения температуры во времени.

6. Дать сравнительный анализ кривых с указанием максимальных за-

паздываний и постоянных времени переходных процессов.

1. К работе допускаются студенты, изучившие техническое описание

установки и инструкцию по технике безопасности в лаборатории, а также

прошедшие инструктаж на рабочем месте.

2. Ознакомиться с принципом действия и конструкцией промышлен-

ных термометров, мостов, милливольтметров, логометров.

3. Включить переключатель SA1 (датчики температуры должны быть

помещены в нагреватель). Считать термометр расширения – эталоном.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ КОНТАКТНЫМ МЕТОДОМ



Автоматизация металлургических производств. Метод. указания к лабораторным работам

-53-

Таблица 3.1

Экспериментальные данные

№

опыта

Время,

Ртутный тер-

мометр,

Логометр,

Автоматический урав-

новешенный мост,

Милливольт-

метр,

С τ

Рис. 3.10. Изменение показаний измерительного комплекса

(милливольтметр – ТЭП) при скачкообразном изменение температуры

Динамическая характеристика элемента представляет собой график за-

висимости температуры от времени. В общем случае переход элемента (при

поступлении на его вход сигнала) из одного установившегося состояния в

другое происходит не мгновенно, а в течение некоторого времени. Вид дина-

мических характеристик элемента зависит и от формы изменения входного

сигнала. В связи с этим для обеспечения сопоставимости динамических

свойств элементов (объектов) за входные принимают типовые сигналы (чаще

всего это ступенчатое (скачкообразное) входное воздействие).

Все устройства, в том числе и измеряющие температуру, обладают не-

которой инерцией, зависящей от конструкции чувствительного элемента и

массы. Инерция зависит также от массы, теплоемкости и теплопроводности

защитных слоев. Инерционность характеризуется постоянной времени Т. Чем

она больше, тем медленнее протекает переходный процесс в элементе, и на-

оборот. Термоэлектрические преобразователи и термопреобразователи со-

τ,

0,63

τ, мин

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ КОНТАКТНЫМ МЕТОДОМ



Автоматизация металлургических производств. Метод. указания к лабораторным работам

-54-

противления характеризуются показателем тепловой инерции, в зависимости

от которых различают ТЭП и ТС большой инерционности (Т < 60 с), средней

инерционности (Т < 40 с) и малой инерционности (Т < 10 с).

Постоянная времени определяется как отрезок времени по оси абсцисс,

соответствующий моменту, когда измеряемый параметр примет величину

0,63 от своего установившегося значения (рис. 3.10

Запаздыванием τ

называется отставание во времени начала изменения

измеряемого параметра от момента приложения возмущения.

По результатам исследований лабораторной работы оформляется отчет

в соответствии со стандартом организации СТО 4.2

–07–2008 «Система ме-

неджмента качества. Общие требования к построению, изложению

и оформлению документов учебной и научной деятельности» и методиче-

скими указаниями к выполняемой лабораторной работе.

Отчет состоит из титульного листа и информационной части, где отра-

жается задание согласно варианту работы.

Указать принципы, положенные в основу измерения температуры раз-

личными способами. Привести электрические схемы моста, милливольтметра

и логометра. Данные эксперимента занести в табл. 3.1

. Привести динамиче-

ские характеристики термометров, их сравнительный анализ.

1. Каковы методы измерения температуры? К какой группе методов

относится измерение температуры с помощью термометров расширения,

электрических термометров сопротивления?

2. На каких принципах основано измерение температуры с помощью

термометров расширения, манометрических термометров, ТС, ТЭП?

3. Каковы причины дополнительных погрешностей у термометров

расширения?

4. Каков принцип действия термометров расширения и манометриче-

ских термометров?

5. Какие вторичные приборы работают в комплекте с ТС, ТЭП?

6. Каков принцип действия автоматического уравновешенного моста,

логометра и милливольтметра?

7. Как получена Международная практическая шкала температур?

8. В чем заключаются преимущества автоматического уравновешенно-

го моста?



Автоматизация металлургических производств. Метод. указания к лабораторным работам

-55-

Цель лабораторной работы: изучение основных характеристик,

конструкций и возможностей приборов для контроля температуры бескон-

тактным методом.

Продолжительность работы 2 часа.

Рассмотреть разновидности и конструкцию датчиков для контроля тем-

пературы; научиться пользоваться контрольно-измерительными приборами и

средствами автоматизации, проводить расчеты, делать выводы по получен-

ным результатам и грамотно, профессионально представлять отчеты о проде-

ланной работе.

Приборы, измеряющие температуру физических тел по их тепловому

излучению, называют пирометрами излучения или просто пирометрами. Пи-

рометры излучения относятся к группе бесконтактных приборов. Тепловое

излучение представляет собой электромагнитное излучение, испускаемое

веществом за счет его внутренней энергии. Интенсивность теплового излу-

чения резко убывает с уменьшением температуры тел, поэтому пирометры

используют в основном для измерения температуры до 6000

С и выше. Пре-

имуществом этих приборов является то, что измерение температуры осуще-

ствляется без непосредственного контакта с измеряемой средой, следова-

тельно, сам процесс измерения не искажает температурного поля объекта из-

мерения.

Лучистая энергия выделяется нагретым телом в виде электромагнит-

ных волн различной длины. При температурах до 500

С нагретое тело излу-

чает инфракрасные лучи, не воспринимаемые человеческим глазом. По мере

повышения температуры цвет тела от темно-красного доходит до белого, со-

держащего волны всех воспринимаемых глазом длин. Одновременно с по-

вышением температуры тела и изменением его цвета возрастает интенсив-

ность монохроматического излучения (яркость), т.е. энергия излучения при

определенной длине волны, а также увеличивается суммарная энергия излуче-

ния. Монохроматическое и суммарное (полное) излучения используются для

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 4. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ БЕСКОНТАКТНЫМ МЕТОДОМ



Автоматизация металлургических производств. Метод. указания к лабораторным работам

-56-

измерения температуры нагретых тел и в соответствии с этим пирометры излу-

чения делятся на пирометры частичного и полного излучения (радиационные).

Интенсивность монохроматического и суммарного излучений, кроме

температуры, зависит от физических свойств веществ. Поэтому шкалы при-

боров, работающих в комплекте с пирометрами, градуируются по излучению

абсолютно черного тела, степень черноты которого постоянна и равна еди-

нице (ε

= 1). Реальные физические тела излучают энергию менее интенсив-

но, чем абсолютно черные, т.к. у них 0 < ε < 1. В связи с этим пирометры из-

лучения показывают так называемую кажущуюся температуру, т.е. показания

пирометров обычно занижены относительно действительной температуры

контролируемого тела. Следовательно, необходимо использовать соответст-

вующие поправки на степень черноты реального тела [6, с. 150

В пирометрах частичного излучения используется зависимость между

интенсивностью монохроматического излучения абсолютно черного тела и

его температурой, выражаемая законом Планка:

Ec e

−



= ⋅λ −





где λ – длина волны, м; с

, с

– постоянные; Т – абсолютная температура, К.

К пирометрам частичного излучения относятся оптические (квазимо-

нохроматические), фотоэлектрические и цветовые (спектрального отноше-

ния) пирометры.

(

)

Принцип действия квазимонохроматического пирометра основан на

сравнении спектральных энергетических яркостей нагретого тела и эталон-

ной пирометрической лампы накаливания.

Для выделения узкой области спектра в этих пирометрах используют

красный светофильтр из стекла типа КС-

15 толщиной 2 мм. Такой свето-

фильтр пропускает излучение длиной волны 0,63–0,68 мкм.

На рис. 4.1

представлена схема оптического пирометра типа ОППИР-017.

Он состоит из объектива, окуляра, красного светофильтра, пирометрической

лампы, диафрагм (входной и выходной), реостата, затемняющего свето-

фильтра, измерительного прибора (милливольтметра) и источника питания.

Объектив и окуляр прибора могут перемещаться вдоль оси в телескопической

трубке, что позволяет получить четкое изображение раскаленного тела и нити

пирометрической лампы. Перемещая движок реостата, оператор изменяет силу

тока, проходящего через лампу, и добивается совпадения яркостей объекта из-

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 4. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ БЕСКОНТАКТНЫМ МЕТОДОМ



Автоматизация металлургических производств. Метод. указания к лабораторным работам

-57-

мерения и нити лампы, изображение нити как бы «исчезает» на фоне объекта.

При этом красный светофильтр должен быть обязательно введен в поле зрения.

Рис. 4.1. Схема оптического пирометра ОППИР-017: 1 – объектив; 2 – диафраг-

мы; 3 – пирометрическая лампа; 4 – окуляр; 5 – красный светофильтр; 6 – реостат;

7 – затемняющий светофильтр; 8 – измерительный прибор; 9 – источник питания

Диафрагмы (входная и выходная) ограничивают входной и выходной

углы пирометра, оптимальные значения которых позволяют обеспечить неза-

висимость показаний прибора от изменения расстояния между объектом из-

мерения и объективом.

Нить пирометрической лампы выполнена из вольфрама, поэтому во из-

бежание ее перегрева при температурах выше 1400

С перед лампой вводится

затемняющий светофильтр, который в одинаковой степени поглощает излу-

чение всех длин волн. В соответствии с этим милливольтметр имеет две шка-

лы: верхнюю – для измерения температур от 800 до 1400

С с выведенным

затемняющим светофильтром и нижнюю – для температур выше 1400

С с

введенным затемняющим светофильтром.

Работает данный пирометр от источника постоянного тока с напряже-

нием 2–2,6 В.

Достоинствами данного типа пирометров являются: возможность из-

мерения на значительном расстоянии, нечувствительность к изменениям ок-

ружающей среды, независимость точности измерения от расстояния до объ-

екта измерения.

К недостаткам относятся: обязательное участие наблюдателя в измере-

нии, невозможность дистанционной передачи показаний, влияние загрязне-

ния атмосферы между источником излучения и пирометром [7, с. 51

Принцип действия пирометров спектрального отношения основан на

зависимости отношения спектральных энергетических яркостей для двух за-

ранее выбранных длин волн λ

и λ

от температуры нагретого тела.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 4. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ БЕСКОНТАКТНЫМ МЕТОДОМ



Автоматизация металлургических производств. Метод. указания к лабораторным работам

-58-

Блок-схема одного из распространенных цветовых пирометров пред-

ставлена на рис. 4.2

Рис. 4.2. Блок-схема цветового пирометра

Излучение от объекта измерения 1 с помощью оптической системы на-

правляется на фотоэлемент 2. В фокусе объектива установлен обтюратор в

виде диска, вращаемого синхронным электродвигателем. Диск имеет два от-

верстия, в которых установлены красный и синий светофильтры. При враще-

нии обтюратора на фотоэлемент поочередно попадают излучения то красной,

то синей области спектра.

Под воздействие световых потоков на нагрузочном резисторе фотоэле-

мента появляются импульсы напряжения, пропорциональные интенсивности

излучения в красной и синей области спектра. Эти импульсы усиливаются

усилителем 3 и поступают в измерительный блок 4. В измерительном блоке

осуществляется формирование прямоугольных импульсов и измерение лога-

рифма отношения интенсивностей излучений красного и синего участков

спектров. С помощью коммутатора 5, работающего синхронно с обтюрато-

ром, прямоугольные импульсы, соответствующие интенсивностям излучения

через красный и синий светофильтр, подаются в противофазе на фильтр RC

6. Постоянная составляющая тока на его входе, определяемая разностью им-

пульсов, измеряется автоматическим потенциометром 7.

Стабильность характеристики фотоэлемента обеспечивается его термо-

статированием (40±0,5

С).

В большинстве случаев у реальных физических тел значения степени

черноты монохроматического излучения ε

практически одинаковы для всех

длин волн и кривые Е

= f(λ) при различных температурах подобны кривым

для абсолютно черного тела, поэтому не требуется вводить поправки на не-

полноту излучения, что является основным преимуществом цветового пиро-

метра. Диапазон измерений описываемого пирометра 1400–2800

С. Он под-

разделяется на пять – шесть поддиапазонов по 250–300

С, для каждого из

которых используется свой обтюратор со специальными комплектами цвето-

вых и поглощающих светофильтров. Класс точности пирометра 1 [6, с. 162

(

)

Радиационный метод измерения температуры основан на зависимости

интенсивности полного излучения от температуры тела.

Для абсолютно черного тела зависимость количества излучаемой энер-

гии Е

от температуры характеризуется законом Стефана-Больцмана:

= σ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 4. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ БЕСКОНТАКТНЫМ МЕТОДОМ



Автоматизация металлургических производств. Метод. указания к лабораторным работам

-59-

где σ

– постоянная, равная 20,78⋅10

-8

Дж/(м

⋅ч).

При градуировке пирометра по модели абсолютно черного тела уста-

навливается однозначная зависимость его показаний от температуры излуча-

теля. При измерении температуры реальных тел, имеющих суммарный коэф-

фициент излучения, отличный от единицы, действительную температуру

объекта можно определить с достаточной точностью по формуле

TT=

, (4.1)

где Т – действительная температура объекта, К; Т

– радиационная температу-

ра (показания пирометра), К; ε – суммарный коэффициент черноты объекта.

Преобразователь пирометрический полного излучения ППТ-121 пред-

назначен для бесконтактного измерения и контроля радиационной темпера-

туры поверхностей от 100 до 2500

С. Работает преобразователь в комплекте

с вторичным измерительным преобразователем ПВВ-0 и вторичным показы-

вающим прибором, в качестве которого используется милливольтметр или

потенциометр.

Преобразователь (рис. 4.3

) состоит из двух основных узлов – объектива

и приемного устройства. Объектив предназначен для передачи энергии излу-

чения от объекта измерения в устройство приемное. Объектив собран на

кронштейне 1 и состоит из объективной линзы 2, полевой диафрагмы 3,

апертурной диафрагмы 4 и конденсора 5.

Рис. 4.3. Пирометр полного излучения

Объективная линза 2 служит для получения изображения объекта в

плоскости полевой диафрагмы 3, предназначенной для получения заданного

показателя визирования. Конденсор 5 предназначен для передачи изображе-

ния от полевой диафрагмы в плоскость приемного элемента и состоит из

двух одинаковых линз 6. Устройство приемное, служащее для преобразования

энергии излучения в электрический сигнал (термоЭДС), состоит из приемного

элемента 8 и медного шунта. Приемный элемент 8 представляет собой 10-

спайную термобатарею из хромель-копелевых фольговых термоэлектриче-

ских преобразователей.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 4. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ БЕСКОНТАКТНЫМ МЕТОДОМ



Автоматизация металлургических производств. Метод. указания к лабораторным работам

-60-

Пирометр градуируют при температуре свободных концов термобата-

реи 20 ± 5

С. Для компенсации погрешности, возникающей при отклонении

температуры свободных концов от градуировочной, используют шунт, вы-

полненный в виде катушки из медного провода, имеющего большой темпе-

ратурный коэффициент сопротивления. Термобатарея имеет некоторый раз-

брос чувствительности, поэтому для получения стандартной градуировки

предусмотрена апертурная диафрагма 4, перемещением которой осуществля-

ется подгонка градуировочной характеристики. Наружная труба 9 одевается

на объектив с кронштейном и закрепляется крышкой с защитным стеклом 7.

Стекло служит для защиты объектива от загрязнения. Подключение преобра-

зователя в измерительную схему производится при помощи разъема 10.

К достоинствам пирометров полного излучения относятся: независи-

мость показаний от освещенности объекта измерения посторонними источ-

никами; возможность дистанционной передачи показаний.

К недостаткам – невозможность измерения истинной температуры;

трудность измерения на больших расстояниях; влияние атмосферы между

источником излучения и пирометром; сравнительно большая температурная

погрешность [6, с. 157

В лабораторную установку (рис. 4.4) входят:

1 – печь;

2 – нагревательный элемент;

3 – объект, температура которого измеряется;

4 – термоэлектрический преобразователь – хромель-алюмелевый;

5 – выключатель питания нагревательного элемента печи;

6 – преобразователь пирометрический первичный ПСМ-151;

7 – устройство преобразования УП;

8, 9 – потенциометр КСП 2-005;

10, 11 – сигнальные лампы;

12 – пирометр полного излучения;

13 – вторичный измерительный прибор КВП;

14 – выключатель питания стенда;

15 – стенд