РАЗВИТИЕ ПРИБОРНОЙ БАЗЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ГАЗОВЫХ СРЕД

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-nedostatki-klassifikaciya-pirometrov.php (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-otnosheniya/pirometry-spektralnogo-otnosheniya-preimushhestva-problemy-puti-ih-resheniya.html (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).