Статья:

РАЗВИТИЕ ПРИБОРНОЙ БАЗЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ГАЗОВЫХ СРЕД

Конференция: XXXII Студенческая международная заочная научно-практическая конференция «Молодежный научный форум: технические и математические науки»

Секция: 13. Радиотехника, Электроника

Выходные данные
Цехош П.И. РАЗВИТИЕ ПРИБОРНОЙ БАЗЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ГАЗОВЫХ СРЕД // Молодежный научный форум: Технические и математические науки: электр. сб. ст. по мат. XXXII междунар. студ. науч.-практ. конф. № 3(32). URL: https://nauchforum.ru/archive/MNF_tech/3(32).pdf (дата обращения: 17.08.2018)
Лауреаты определены. Конференция завершена
Эта статья набрала 1 голос
Мне нравится
Дипломы
лауреатов
Сертификаты
участников
Дипломы
лауреатов
Сертификаты
участников
на печатьскачать .pdfподелиться

РАЗВИТИЕ ПРИБОРНОЙ БАЗЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ГАЗОВЫХ СРЕД

Цехош Павел Иванович
студент магистратуры, кафедра «Электрическая техника», Омского государственного технического университета, РФ, г. Омск
Захаренко Владимир Андреевич
научный руководитель, доц., д-р техн. наук, кафедра «Технология электронной аппаратуры», Омского государственного технического университета, РФ, г. Омск

В процессе проектирования средства температурного контроля (ТК) главная задача зачастую заключается в выборе наилучшей элементной базы и прежде всего самого приёмника излучения, обеспечивающего получение максимально возможной эффективности работы прибора.

Диапазон температур газовых сред составляет от 400 до 1800ºС. Следовательно, далее рассмотрим способы измерения температур данного диапазона и выделим наиболее выгодный.

В области ТК уже давно существуют способы измерения областей высоких температур агрессивных газовых сред, подразделяемые на: 1) контактные и 2) бесконтактные.

1)  В контактных методах требуется непосредственный контакт первичного преобразователя с контролируемым объектом или средой. К ним относятся термоэлектрические преобразователи (термопары) - рисунок 1 [4, с. 6].

Термопара – это два проводника из разнородных материалов, соединенных на одном конце и образующих часть устройства, использующего термоэлектрический эффект для измерения температуры [2, с. 5].

Принцип действия термопары основан на эффекте Зеебека.

 

Рисунок 1. Схема термоэлектрического преобразователя: 1 – электроизмерительный прибор; 2 – холодный спай; 3 – соединительные провода; 4 – изоляционные бусы; 5 – защитный колпачок; 6 – термоэлектроды; 7 – горячий спай

 

Если два проводника (термоэлектрода) 6 из разных металлов или сплавов сварить между собой с одного конца 7, а два других конца холодным спаем 2 спаять с медными соединительными проводами 3 подключёнными к электроизмерительному прибору 1, то при нагревании одного из спаев (горячий спай 7) в нем возникает разность электрических потенциалов, называемая термоэлектродвижущей силой и по образовавшейся замкнутой цепи, потечет электрический ток, по величине которого определяется температура.

Для изоляции термоэлектродов друг от друга, на них надевают изоляционные бусы 4. Сами термоэлектроды и горячий спай термопары, помещаются в защитный колпачок 5, (например, из стальных сплавов), в который засыпается керамический порошок для дополнительной изоляции.

К материалам для термоэлектродов предъявляются требования, по отношению к неизменяемости физических свойств с течением времени в пределах измеряемых температур; высокой электрической проводимости; малого температурного коэффициента сопротивления; жаростойкости (неокисляемости при высоких температурах); высокой термо-э. д. с.

При измерении высоких температур газовых сред наилучшими в промышленности являются термопары, типа платина-платинородиевых, с соотношениями сплавов: 90% платины плюс 10% родия и 87% платины плюс 13% родия. Пределы их работы для измерений температур до 1400° длительно и до 1800° кратковременно [10].

2)  Бесконтактные методы позволяют измерять температуру на заданном расстоянии, от контролируемого объекта или среды. Этот метод используется в пирометрах [4, с. 6].

Классификация монохроматических пирометров основана на едином принципе измерения температуры, которые в зависимости от области использования делятся, на:

a)  Пирометр полного излучения - это пирометр, действие которого основано на использовании зависимости интегральной энергетической яркости излучателя от температуры, описываемой для АЧТ с достаточным приближением закона Стефана-Больцмана, выражающего зависимость излучаемой телом энер­гии от его температуры [1, с. 6]. Схема радиационного пирометра по­казана на рисунке 2 [9, 132].

 

Рисунок 2. Схема пирометра полного излучения: 1 – объект; 2 – объектив; 3 – приемник излучения; 4 – индикатор

 

Пирометр включает приемник излучения 3 (например, термопару), на который фокусируется излучение исследуемого нагретого объекта 1 с помощью линз объектива 2. ЭДС термопары определяют с помощью чувствительного индикатора 4, градуировка шкалы которого проведена в кельвинах по эталону абсолютно чёрного тела [6, с. 90].

Для измерения температуры слабо нагретых тел применяют объективы из прозрачных материалов в соот­ветствующей спектральной области, где используют стекло от 900 °С, кварц от 400 °С, объективы из фтористого бария в диапазоне 20–500 °С. Также используют зеркальную оптику [9, с. 133].

На показания пирометра полного излучения оказывает влияние излучательная способность, которая в свою очередь зависит от состояния поверхности контролируемого объекта. Достоинством пирометром полного излучения является простота конструкции и не большой стоимостью. Существенным же недостатком является большая погрешность измерений, так как «радиационная температура» более чувствительна к отклонениям характеристик реального излучения от законов АЧТ, чем «яркостная температура» [6, с. 90].

Современные модели устройств данного типа, в том числе портативных автономных, снабжаются встроенным микропро­цессором, реализующим кор­рекцию излучательной способности, авто калибровку прибора, запоминание максимальной, средней и минимальной температуры за время измерения и другие функции [9, с. 133].

b)  Пирометр частичного излучения - это пирометр, действие которого основано на использовании зависимости энергетической яркости излучателя от температуры в ограниченном интервале длин волн [1, с. 6].

Визуальные пирометры частичного излучения применяют для измерения яркостных температур выше 600°С. Принцип действия, основан на зависимости спектральной яркости нагретых тел от температуры, описываемой законами Планка и Вина. Схема пирометра частичного излучения пока­зана на рисунке 3.

 

Рисунок 3. Схема пирометра частичного излучения: 1 – Объект; 2 – объектив; 3 – диафраг­ма; 4 – нейтральный фильтр; 5 – пло­скость спирали пирометрической лампы; 6 – окуляр; 7 – красный светофильтр; а, б, в – поле зрения прибора для различ­ных режимов накала нити лампы

 

Объектив 2 проектирует объект 1 через диафрагму 3 и нейтральный фильтр 4 на плоскость 5. В этой пло­скости находится нить специальной пирометрической лампы, которая рас­сматривается через красный фильтр 7 с помощью окуляра 6. Наблюдатель видит одновременно изображение лам­пы и объекта. Потенциометром меняют яркость лампы до исчезновения ее изображе­ния на фоне объекта - рисунок 3 (а-в), затем определяют соответствующий этому моменту ток лампы и по градуировочной шкале прибора температуру объекта. Применяя красный фильтр 7, мо­жно вести измерения в узком спектра­льном интервале. При высоких ярко­стях объекта вводят фильтр 4.

Своеобразной модификацией ярко­стных пирометров являются пирометры с возможностью фиксации изображения объекта и эталона яр­кости и осуществления их фотометрического сравнение визуальным методом [9, с. 131].

Данные приборы просты и удобны в работе, имеют возможность регистрации температурных полей объектов большого размера с высокой пространственной и временной разрешающей способностью. Но чаще выходят из строя, так как обладают как минимум двумя приемниками и преобразователями излучения [7,8].

c)   Пирометр спектрального излучения - это пирометр, действие которого основано на зависимости отношений энергетических яркостей в двух или нескольких спектральных интервалах от температуры тела [1, с. 6].

Действие пирометров спектрального отношения ос­новано на сравнении интенсивности излучения объекта в двух спектраль­ных диапазонах. Функциональная схема пирометра спектрального отношения показана на рисунке 4.

 

Рисунок 4. Схема пирометра спектрального отношения: 1 – объект; 2 – объектив; 3 – модуля­тор; 4, 5 – селективные светофильтры; 6 – приемник излучения; 7 – электрон­ная схема; 8 – регистратор

 

Оптиче­ская схема пирометра спектрального излучения обы­чно содержит два цветных фильтра 4,5, через которые с помощью модулятора 3, поток излучения от объекта 1, через объектив 2 поперемен­но направляется на фотоприемник 6. Откуда излучение объекта поступает в блок электрон­ной схемы 7 для сравнения интенсивностей, далее показания запоминаются с помощью регистратора 8 и записываются в память устройства.

Рассмотренный метод применим и к инфракрасной области спектра при соответствующем подборе приемника излучения и ма­териалов проекционной оптики и светофильтров. Нижний предел температурного ди­апазона может быть расширен до 50°С [9, с. 132]. Пирометры спектрального отношения, точны, так как не зависят ни от расстояния, ни от излучательной способности объекта, но имеют зависимость характеристик от стабильности преобразующих элементов каждого канала [7,8].

Помимо рассмотренных средств ТК газовых сред, на сегодняшний день широкое распространение получил ИК термопреобразователь стационарного исполнения (ИКТС). Схема такого преобразователя предоставлена на рисунке 5.

 

Рисунок 5. Схема ИКТС: Ф - излучение от объекта; ОК - объект контроля; ОВ - оптическое волокно; ПИ - приёмник излучения; СУС - схема усиления и термокомпенсации; БТ - блок термостабилизации; СО - схема обработки сигнала

 

Поток инфракрасного излучения (Ф) от объекта контроля (ОК) (термопара в чехле) попадает в оптическое волокно (ОВ), которое содержит диафрагму, осуществляющую оптическое отображение измерительного поля объекта на плоскость приёмника излучения (ПИ), который преобразует падающую на него энергию инфракрасного излучения в изменение электрического сопротивления, пропорциональное температуре объекта. Схема усиления и термокомпенсации (СУС) стабилизирует параметры приёмника излучения в условиях изменения температуры среды и вырабатывает сигнал управлении для блока термостабилизации (БТ). Схема обработки (СО) преобразует сигнал в соответствии с номинальной статической характеристикой преобразования в линейный унифицированный токовый сигнал [5, с. 82].

Недостаток заключается в необходимости дополнительного питания 24 В, в связи с этим для замены существующей термопары требуется прокладка дополнительного кабеля [11, с. 3]. Преимущество в минимальной погрешности измерений, так как пары газа и мелкие частицы пыли присутствующие в воздухе печи не оседают на оптической линзе, тем самым загрязняя её. Так же приемник ИК - излучения выдерживает температуру окружающей среды до +200°С [3].

Главная особенность заключается в возможности проводить замеры без демонтажа всей конструкции, в случае износа термопары, так как пустой чехол способен имитировать сигналы любой ГОСТ термопары. Этот признак делает данный способ наиболее выгодным из рассмотренных, по критерию точности и достоверности температурных измерений.

 

Список литературы:

1. ГОСТ 28243-96. Пирометры. Общие технические требования. - Минск: Изд-во стандартов, 2003. – 12 с.

2. ГОСТ 6616-94. Преобразователи термоэлектрические. - Минск: ИПК Изд-во стандартов, 1998. – 15 с.

3. Инфракрасный термопреобразователь стационарный ИКТС. [Электронный ресурс] - Режим доступа. - URL: http://www.omsketalon.ru/?action=ikts& (дата обращения 20.03.2016).

4. Кустиков Г.Г. «Теплотехнические измерения: измерение температуры: конспект лекций». - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2010. - 48 с.

5. Методы и средства бесконтактной термометрии для задач теплового контроля и промышленности: монография/ В.А. Захаренко; Мин-обр. науки России, ОмГТУ. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2014. – 148 с. : ил.

6. Методы и средства исследований. И.Н. Евдокимов – [Электронный ресурс] – Режим доступа. - URL: http://temperatures.ru/pdf/evdokimov.pdf (Дата обращения 20.03.2016).

7. Методы пирометрии, их достоинства и недостатки. Классификация пирометров. – [Электронный ресурс] – Режим доступа. - URL: http://www.teplomer.biz/stat/metody-pirometrii-ih-dostoinstva-i-nedostat... (дата обращения 20.03.2016).

8. Пирометры спектрального отношения: преимущества, проблемы, пути их решения. Фрунзе А.В. – [Электронный ресурс] – Режим доступа. - URL: http://www.pyrometer.ru/publishing/vse-o-pirometrah-spektralnogo-otnoshe... (Дата обращения 20.03.2016).

9. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. В 2-х томах. Кн. 1 / Под ред. В.В. Клюева. – 2-е. изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1986. 488 с., ил.

10.Термоэлектрические преобразователи (термопары). – [Электронный ресурс] – Режим доступа. – URL: http://electrik.slovarik.org/stati/data-id3065 (дата обращения 21.03.2016).

11. Технический отчет о применении пирометра ИКТС производства ОАО «НПП «Эталон», г. Омск 09 апреля 2014 г. Терпиловский А. – [Электронный ресурс] – Режим доступа. – URL: http://www.omsketalon.ru/otzivi/otchet_ikts _belarus.pdf. (Дата обращения 20.03.2016).