Методику розрахунку пірометричного давача температури

Термоелектричні термометри характеризуються високою точністю і надійністю, можливістю використання в системах автоматичного контролю та регулювання, що значною мірою визначає хід технологічного процесу в металургійних агрегатах.

Сутність термоелектричного методу полягає у виникненні ЕРС в  провіднику, кінці якого мають різну температуру. Для того, щоб виміряти ЕРС, що виникла, її порівнюють з ЕРС іншого провідника, що утворює з першим термоелектричну пару AB в ланцюзі якої потече струм [11].

Результуюча термо-ЕРС ланцюга, що складається з двох різних провідників A і B дорівнює:

 

     (1.5)

 

де  та – різниця потенціалів між провідниками А і B при температурах і , відповідно.

Термо-ЕРС даної пари залежить тільки від температури  і і не залежить від розмірів термоелектродів (довжини, діаметру), величин теплопровідності і питомого електроопору.

Для збільшення чутливості термоелектричного  методу вимірювання температури  в ряді випадків застосовують термобатареї: кілька послідовно включених термопар, робочі кінці яких знаходяться при  температурі , вільні при відомій і постійній температурі .

Принцип дії електричних термометрів опору заснований на використанні залежності електричного опору речовини від температури. Знаючи дану залежність, по зміні величини опору термометра робиться про температуру середовища, в яку він занурений. Вихідним параметром пристрою є електрична величина, яка може бути виміряна з досить високою точністю, передана на великі відстані і безпосередньо використана в системах автоматичного контролю та регулювання.

В якості матеріалів для виготовлення чутливих елементів ТО використовуються чисті метали: платина, мідь, нікель, залізо і напівпровідники. Зміна електроопору даного матеріалу при зміні температури характеризується температурним коефіцієнтом опору, який обчислюється за формулою [12]:

 

(1.6)

 

де t – температура матеріалу;

 и  – електричний опір відповідно при 0 ºС и температуре t.

Опір напівпровідників із збільшенням температури різко зменшується. Тобто вони мають негативний температурний коефіцієнт опору, який фактично на порядок більше, ніж у металів. Напівпровідникові термометри опору (ТОНП) в основному застосовуються для вимірювання низьких температур.

Перевагами ТОНП є невеликі габарити, мала інерційність, високий коефіцієнт.

Однак вони мають і істотні недоліки:

- нелінійний характер залежності опору від температури;

- відсутність відтворюваності складу, а також градуювальної характеристики, що виключає взаємозамінність окремих ТО даного типу. Це призводить до випуску ТОНП з індивідуальним градуюванням [13].

 

1.2 Безконтактне вимірювання температури

 

Про температуру нагрітого тіла можна судити на підставі вимірювання параметрів його теплового випромінювання, що представляє собою електромагнітні хвилі різної довжини. Чим вища температура тіла, тим більше енергії воно випромінює. Датчики, дія яких заснована на вимірюванні теплового випромінювання, називають пірометричними сенсорами. Одним з головних переваг даних пристроїв є відсутність впливу вимірювача на температурне поле нагрітого тіла, так як в процесі вимірювання вони не вступають в безпосередній контакт один з одним. Тому дані методи отримали назву безконтактних. [14]

На підставі законів випромінювання розроблені датчики наступних типів:

- датчик сумарного випромінювання (СВ) - вимірюється повна енергія випромінювання;

- датчик часткового випромінювання (ЧВ) - вимірюється енергія в обмеженій фільтром (або приймачем) ділянці спектра;

- датчики спектрального відношення (СпВ) - вимірюється відношення енергії фіксованих ділянок спектра.

В залежності від типу датчика розрізняються  радіаційна, яскравісна, колірна температури [15].

Радіаційною температурою реального тіла Т_р називають температуру, при якій повна потужність абсолютно чорного тіла (АЧТ) дорівнює повній енергії випромінювання даного тіла при дійсній температурі Т_д.

Яскравісною температурою реального тіла Т_я називають температуру, при якій щільність потоку спектрального випромінювання АЧТ дорівнює щільності потоку спектрального випромінювання реального тіла для тієї ж довжини хвилі (або вузького інтервалу спектру) при дійсній температурі Т_д.

Колірною температурою реального  тіла Т_к називають температуру, при якій відношення густин потоків випромінювання АЧТ для двох довжин хвиль дорівнює відношенню густини потоків випромінювань реального тіла для тих же довжин хвиль при дійсній температурі Т_д.

До датчиків часткового випромінювання, що вимірюють яскравісну температуру об'єкта, відносяться монохроматичні оптичні пірометри і фотоелектричні пірометри, що вимірюють енергію потоку у вузькому діапазоні довжин хвиль.[16]

Принцип дії оптичних датчиків заснований на використанні залежності щільності  потоку монохроматичного випромінювання від температури. На рисунку 1.3 представлена схема оптичного пірометра з "зникаючою" ниткою, принцип дії якого заснований на порівнянні яскравості об'єкта вимірювання та градуйованого джерела випромінювання в певній довжині хвилі.

Зображення випромінювача 1 лінзою 2 і діафрагмою 4 об'єктива пірометра фокусується в площині нитки розжарювання лампи 5. Оператор через діафрагму 6 лінзу 8 окуляра і червоний світлофільтр 7 на тлі розжареного тіла бачить нитку лампи. Переміщуючи движок реостата 11, оператор змінює силу струму, що проходить через лампу, і домагається зрівнювання яскравості нитки і яскравості випромінювача. Якщо яскравість нитки менше яскравості тіла, то вона на його фоні виглядає чорною смужкою, при більшій температурі нитки вона буде виглядати, як світла дуга на більш темному тлі [17].

Рисунок 1.3 – Оптичний датчик теплового випромінювання

 

При рівності яскравості випромінювача і нитки остання "зникає" з поля зору оператора. Цей момент свідчить про рівність яскравісних температур об'єкта вимірювання і нитки лампи. Живлення лампи здійснюється за допомогою батареї 10. Прилад 9, фіксуючий силу струму, що протікає у вимірювальному колі, заздалегідь проградуйований в значеннях залежності між силою струму і яскравісною температурою АЧТ, що дозволяє робити зчитування результату в ºС [18].

Фотоелектричні датчики часткового випромінювання забезпечують безперервне  автоматичне вимірювання та реєстрацію температури. Їх принцип дії заснований на використанні залежності інтенсивності  випромінювання від температури  у вузькому інтервалі довжин хвиль  спектру. В якості приймачів в даних пристроях використовуються фотодіоди, фотоопори, фотоелементи і фотопомножувачі.

Фотоелектричні датчики часткового випромінювання діляться на дві групи:

- в яких мірою температури об'єкта є безпосередньо величина потоку приймача випромінювання;

- які містять стабільне джерело випромінювання, при чому фотоприймач служить лише індикатором рівності яркостей даного джерела і об'єкта [19].

Рисунок 1.4 – Фотоелектричний датчик теплового випромінювання

 

На рисунку 1.4 наведена схема фотоелектричного датчика, що відноситься до другої групи. У ньому в якості приймача випромінювання застосовується фотоелемент. Потік від випромінювача 1 лінзою 2 і діафрагмою 3 об'єктиву фокусується на отворі 7 в утримувачі світлофільтру 5 таким чином, щоб зображення ділянки поверхні випромінювача перекривало даний отвір. У цьому випадку величина світлового потоку, падаючого на катод фотоелемента 6, розташованого за світлофільтром, визначається яскравістю випромінювача, тобто його температурою. В утримувачі світлофільтру розташовано ще один отвір 8, через який на фотоелемент потрапляє потік від лампи зворотного зв'язку 17. Світлові потоки від випромінювача 1 і лампи 17 подаються на катод поперемінно з частотою 50 Гц, що забезпечується за допомогою вібруючої заслінки 9. Зворотно-поступальний рух заслінки забезпечується за допомогою котушки збудження 10 і постійного магніту 12. У вібраторі відбувається перемагнічування сталевого якоря 11, який з частотою 50 Гц почерзі притягається полюсами магніту 12 і переміщує заслінку 9. При розходженні світлових потоків випромінювача 1 і лампи 17 в струмі фотоелемента з'явиться змінна складова, що має частоту 50 Гц і амплітуду, пропорційну різниці даних потоків. Підсилювач 13 забезпечує посилення змінної складової, а фазовий детектор 14 подальше її випрямлення. Отриманий вихідний сигнал подається на лампу, що викликає зміну сили струму розжарювання. Це буде відбуватися до тих пір, поки на катоді фотоелемента світлові потоки від двох джерел не зрівняються. Отже, струм лампи зворотного зв'язку однозначно пов'язаний з яскравісною температурою об'єкта вимірювання.

У ланцюг лампи 17 включено калібрований опір 16, падіння напруги на якому пропорційно силі струму й вимірюється швидкодіючим потенціометром 15, забезпеченим температурною шкалою. Окуляр 4 забезпечує наводку пристрою на об'єкт вимірювання.

Датчики спектрального відношення вимірюють температуру кольору об'єкта по відношенню інтенсивностей випромінювання в двох певних ділянках спектру, кожна з яких характеризується ефективною довжиною хвилі l.

На рисунку 1.5 наведена схема двоканального датчика спектрального відношення (СпВ), в якому перетворення енергії в електричні сигнали проводиться за допомогою двох кремнієвих фотодіодів. Потік випромінювання від об'єкта вимірювання 1 за допомогою оптичної системи, що складається з лінз 2, апертурною і польовий діафрагми 3, передається на інтерференційний світлофільтр 4. Останній забезпечує виділення двох потоків, кожен з яких характеризується власним спектром. Дані потоки потрапляють на кремнієві фотодіоди 7, які перетворять випромінювання в фотострум, що протікає через опір R1 і R2, включені в вимірювальну схему вторинного реєструючого приладу - логометр. Різниця падінь напруг на опорах подається на вхід підсилювача 5, вихідний сигнал якого надходить на реверсивний двигун 6, що переміщає движок реохорда R2 і стрілку щодо шкали настання балансу, відповідної вимірюваної температури [20].

 

Рисунок 1.5 – Датчик спектрального відношення теплового випромінювання

 

Інтерференційний фільтр 4 є напівпрозорим дзеркалом, що має високий коефіцієнт пропускання в одній і високий коефіцієнт відбиття в іншій області спектра. Дзеркало 8 і окуляр 9 забезпечують візуальну наводку об'єктива пірометра на об'єкт вимірювання. Для зменшення похибки від впливу навколишньої температури фільтр 4 і приймачі випромінювання 7 поміщені в термостат.

Датчики сумарного випромінювання вимірюють радіаційну температуру тіла, тому їх часто називають радіаційними. Принцип дії даних вимірювачів температури заснований на використанні закону Стефана-Больцмана. Однак у випадку застосування оптичних систем в СІ визначення температури ведеться по щільності інтегрального випромінювання не у всьому інтервалі довжин хвиль, а значно меншому: для скла робочий діапазон складає 0.4 - 2.5, а для плавленого кварцу 0.4 - 4 мкм [21].

Рисунок 1.6 – Датчик суммарного теплового випромінювання 

Датчик виконується у вигляді  телескопа, лінза об'єктива якого  фокусується на термочутливому приймачі випромінювання нагрітого тіла. В  якості термочутливого елементу використовуються термопари, термобатареї, болометри (металеві та напівпровідникові), біметалічні  спіралі і т.п. Найбільш широко застосовуються термобатареї (рисунок 1.6, а), в яких використовується 6-10 мініатюрних термопар (наприклад, Хромель-Копелева), з'єднаних послідовно. Потік випромінювання потрапляє на розклепані у вигляді тонких зачорнених пелюсток робочих кінців 4 термопар 2. Вільні кінці термопар приварюються до тонких пластинок 1, закріплених на слюдяних кільцях 3. Металеві виводи 5 служать для приєднання до вимірювального приладу, в якості якого зазвичай використовуються потенціометри або мілівольтметри. Робочі кінці термопар поглинають падаючу енергію і нагріваються. Вільні кінці знаходяться поза зоною потоку випромінювання і мають температуру корпусу телескопа. У результаті виникнення перепаду температур термобатарея розвиває термо-ЕРС, пропорційну температурі робочих спаїв, а отже, і температурі об'єкта вимірювання [22].

На рисунку 1.6, б показано пристрій телескопа СВ. Він включає: корпус 1 з діафрагмою 7; об'єктив, що має скляну або кварцову лінзу 2, установлювану у втулці 13, що угвинчується в корпус; блок термобатареї, що складається з самої термобатареї 3, корпусу 5, відростка, на який нагвинчується рухома діафрагма 6, і контактних гвинтів 10; компенсаційний мідний опір 4, шунтуючий термобатареї і забезпечуючий зменшення впливу вимірювань температури телескопа на показання пірометра; окуляр, що включає лінзу 8 і захисне скло 9. Фланець 11 служить для кріплення корпусу до захисної арматури, що забезпечує роботу пірометра в тяжких умовах металургійного виробництва.

Отримання стандартного градуювання забезпечується переміщенням діафрагми 6, зубчастий вінець якої зчленований з зубами трубки 12. Діафрагма, встановлювана в телескопі, обмежує тілесний кут візування, що виключає вплив на показання розмірів випромінювача і його відстані від датчика. При цьому на термобатареї потрапляє випромінювання тільки з певної невеликої ділянки об'єкта вимірювання. Розміри цієї ділянки визначаються за показником візування, який є відношенням найменшого діаметру випромінювача до відстані від об'єкта вимірювання до об'єктива телескопа. При цьому зображення кола, вписаного в випромінювач, повністю перекриває отвір діафрагми 6, що знаходиться перед термобатареєю.

Телескопи з показником візування  більше 1/16 є ширококутними, а з показником, рівним або меншим 1/16, - вузькокутними. При вимірюванні температури в схему пірометра між телескопом і вторинним приладом (мілівольтметром або потенціометром) включається панель зрівняльних і еквівалентних опорів. Вона забезпечує постійне навантаження телескопа при роботі з одним або двома вторинними приладами, а також заміну телескопа одного градуювання на телескоп іншого градуювання [22].

 

1.3 Пірометричні давачі

 

На даний момент випускається безліч різних пірометричних датчиків. Розглянемо деякі з них.

Датчики фірми Murata.

Піроелектричні інфрачервоні чутливі елементи фірми Murata, мають високу чутливість і надійне виконання, що є можливим завдяки керамічній та пакувальній технології Murata, яка розвивалася багато років.

Особливості датчиків:

- висока чутливість і чудове співвідношення С / Ш;

- висока стабільність до температурних змін;

- висока несприйнятливість до зовнішньої завади;

- високе відношення якість-ціна.

Інфрачервоний піроелектричний SMD датчик Murata IRS-A200ST01

Схема підключення та габаритні характеристики SMD датчика IRS-A200ST01 наведено на рисунку 1.7 [23].

 

Рисунок 1.7 – Габаритні характеристики і електрична схема сенсора