6.3. Устройства для измерения температуры

Для измерения и регулирования температуры в нагревательных печах, установках и печах-ваннах применяют различные контрольно-измерительные приборы: термометры, термопары, пирометры и др.

Электрические термометры сопротивления (э.т.с.) предназначены для измерения температуры в пределах от -200 до +650 °С. Принцип действия электрического термометра основан на свойстве его чувствительного элемента, выполненного из металла (платины или меди), изменять свое сопротивление в зависимости от температуры.

Чувствительные элементы 1 платиновых термометров сопротивления (рис. 6.1) делают из платиновой проволоки диаметром 0,05; 0,07 или 0,1 мм. Проволока крепится на каркасе 3. Чувствительные элементы медных термометров изготовляют из медной изолированной проволоки диаметром 0,1 мм.

Чувствительные элементы расположены в трубках 5, а выводы 2 изолированы фарфоровыми бусами 6.

Для защиты чувствительного элемента от агрессивного воздействия среды, а также для придания термометру достаточной прочности чувствительные элементы помещают в герметичные защитные чехлы 4.

Платиновые термометры применяют для измерения температуры в интервале от -200 до +659 °С, а медные от -50 до +180 °С.

Принцип действия термопары основан на возникновении термоэлектродвижущей силы (термо-э.д.с.) в зависимости от температуры концов термопары.

Термопара состоит из двух разнородных проводников (термоэлектродов), соединенных (сваренных) с одного конца 1, называемого рабочим (рис. 6.2).

Приборы автоматического регулирования тепловых режимов.

В системах автоматического регулирования тепловых режимов термических печей применяются регуляторы прямого и непрямого действия. В регуляторах пря­мого действия отклонение от заданного значения параметра, который регулируется, является импульсом. Импульс действует на чувствительный элемент регулятора и создает усилие для перестановки регулирующего органа. У этих регуляторов изме­рительная система является одновременно приводом регулирующего органа.

Рис. 6.1. технические термометры сопротивление:

а), б) - платиновые, в) - медный;

1 - чувствительный элемент, 2 - выводы, 3 - каркас,

4 - защитный чехол, 5 - трубка, 6 - фарфоровые бусы

Рис. 6.2.Схема термопары

Однако в регуляторах прямого действия трудно получить усилия, достаточные для перестановки таких регулирующих органов, как например, большие дроссельные заслонки. В таких случаях используют регуляторы непрямого действия, то есть автома­тический регулятор, у которого перемещение регулирующего органа производится за счет вспомогательной энергии (жидкости под давлением, сжатого воздуха, элек­троэнергии). Регулятор непрямого действия имеет следующие основные части: 1 чувствительный элемент, непосредственно воспринимающий отклонение от за­данного значения параметра, который регулируется (термопара, термометр сопро­тивления, диафрагма и др.); 2 измерительную схему, определяющую величину па­раметра, подвергающегося регулированию (магнитноэлектрическая подвижная сис­тема, мембрана с пружиной и др.); 3 задатчик - устройство, которое устанавлива­ется на желательную величину регулируемого параметра (например, сопло с заслон­кой и др.); 4 управляющий элемент (усилитель, реле, распределительный золотник и др.), который дает импульс в систему управления; 5 исполнительный механизм (электродвигатель с редуктором, цилиндр с поршнем), который непосредственно пе­ремещает регулирующий орган; 6 регулирующий орган (дроссельная заслонка, кла­пан, задвижка, реостат), непосредственно воздействующий на регулируемый пара­метр, осуществляющий количественное и качественное изменение потока вещества или энергии (газа, пара, воды, электрической энергии и т.д.), и 7 устройство обрат­ной связи (применяется в некоторых регуляторах), действующее на регулирующий орган в направлении, обратном воздействию измерительной системы.

Рабочий конец погружается в среду, температура которой измеряется. К другому концу термопары 2, называемому свободным, присоединяются провода 3, направляемые к прибору 4 (милливольметру), измеряющему термо- э.д.с. термопары. Если температура рабочего и свободных концов термопары различна, то в термопаре возникает термо-э.д.с. Величина термо-э.д.с. зависит от материала термоэлектродов и температур рабочего и свободных концов. Температура свободных концов обоих термоэлектродов должна быть одинакова.

Наибольшее распространение получили стандартизованные термопары, приведенные в табл. 6.1.

Таблица 6.1

Основные данные о термопарах

Для измерения температуры применяют потенциометры. Принцип работы потенциометра основан на том, что э.д.с. термопары уравновешивается равной ей по величине, но противоположной по знаку э.д.с. от постороннего источника тока (сухого элемента).

В термических цехах используют электронные автоматические потенциометры ЭДП (рис. 6.3). Потенциометр включается тумблером 1. Температура записывается на бумажную дисковую диаграмму, диаметр которой 300 мм. Один оборот диска происходит за 24 ч. температура нагрева устанавливается стрелкой 2, закрепленной в стрелкодержателе 3. Кривая изменения температуры записывается стрелкой-пером 4. Наблюдение за работой прибора ведется через застекленное окно.

Потенциометры ЭПД могут работать при температуре окружающего воздуха от 0 до 50 °С и относительной влажности от 30 до 80 %.

Технические визуальные оптические пирометры предназначаются для измерения температуры от 800 до 4500 °С.

Наиболее совершенным оптическим пирометром является монохроматический оптический пирометр с исчезающей нитью накала. Схема оптического пирометра приведена на рис. 6.4. С помощью объектива 1 изображение источника излучения совмещают в одной плоскости с изображением нити пирометрической лампы 2. Перемещая окуляр 4, получают резкое изображение источника излучения и нити лампы. Чтобы измерить температуру, необходимо включить красный светофильтр 3, который служит для монохроматизации пучка лучей, проходящих через окуляр. Температуру источника излучения определяют по показанию прибора 5 в тот момент, когда (в пределах контрастной чувствительности человеческого глаза) яркость нити равна яркости источника излучения, то есть когда часть изображения нити, проектирующаяся на фоне изображения источника излучения, "исчезает". Яркость нити лампы устанавливают путем изменения силы тока батареи 7 реостатом 6.

Так как шкала пирометра градуирована по температуре абсолютно черного тела, то показание пирометра оценивается в градусах черной или яркостной температуры.

Радиационные пирометры применяют для измерения радиационной температуры от 50 до 3000 °С. Чувствительным элементом радиационного пирометра является термобатарея, при помощи которой энергия, излучаемая поверхностью нагретого тела, преобразуется в электродвижущую силу. По значению этой э.д.с. судят о температуры тела.

Радиационный пирометр (рис. 6.5) состоит из телескопа и электрического измерительного прибора 6. В корпус телескопа радиационного пирометра вмонтированы объектив 1, диафрагма 2, термобатарея 5, цветное стекло 3 и окуляр 4. В комплекте с телескопом может применяться один или два электронных потенциометра, а также один или два милливольтметра.

Фотоэлектрические пирометры (ФЭП) относятся к оптическим пирометрам частичного излучения. При помощи ФЭП можно измерить яркостную температуру тела в интервале от 600 до 2000 °С. Для измерения яркости светового потока в ФЭП используются фотоэлементы. В пирометрах с нижним пределом измерения 800 °С применяется вакуумный сурьмяно-цезиевый фотоэлемент. ФЭП с этим фотоэлементом служит для измерения яркостной температуры тела в свете эффективной длины волны, равной примерно 0,65 мкм. В этом случае показания ФЭП совпадают с показаниями оптического монохроматического пирометра.

В пирометрах с нижним пределом менее 800 °С и верхним не более 1000°С используется кислородно-цезиевый фотоэлемент. Показания этих пирометров соответствуют условной температуре, измеренной по яркости излучения тела при эффективной длине волны 1 мкм.

Принципиальная схема фотоэлектрического пирометра изображена на рис. 6.6. Действие прибора основано на сравнении яркости излучения нагретого тела 7 с яркостью излучения лампы накаливания 10. Пучки света от источника излучения 7 через объектив 6, диафрагму 5 и лампу накаливания 10 проходят через светофильтр 8 и падают на поверхность фотоэлемента 2. Оба отверстия светофильтра 8 перекрываются заслонкой модулятора 9 с частотой 50 Гц. Если световые потоки не равны друг другу, то в цепи фотоэлемента течет ток, переменная составляющая которого изменяется по синусоидальному закону с амплитудой, пропорциональной разности амплитуд обоих световых потоков. Переменный ток усиливается усилителем напряжения 1, выпрямляется фазочувствительным синхронным детектором и подается на сетку выходного аскада. В анодную цепь выходного каскада включена лампа накаливания 10.

Рис. 6.6. Схема фотоэлектрического пирометра

Ток лампы накаливания находится в определенной зависимости от температуры визируемого тела, которая может быть определена по падению напряжения на калиброванном сопротивлении 12, включенном последовательно с лампой накаливания. Для измерения этого напряжения применяется быстродействующий потенциометр 11, подключаемый к сети через разделительный трансформатор 13.

Питание элементов схемы пирометра осуществляется от силового трансформатора 15, включаемого в сеть переменного тока через стабилизатор напряжения 14. Наведение прибора осуществляется с помощью окуляра 3 и зеркала 4.