8.3. 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. 8.1) 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.

Рис. 8.1. технические термометры сопротивление: а), б) – платиновые, в) – медный; 1 – чувствительный элемент; 2 – выводы; 3 – каркас;4 – защитный чехол;5 – трубка;6 – фарфоровые бусы

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.

Т

Рис. 8.2. Схема термопары

ермопара состоит из двух разнородных проводников (термо­электродов), соединенных (сваренных) с одного конца 1, называе­мого рабочим (рис. 8.2). Рабочий конец погружается в среду, температура которой из­меряется. К другому концу термопары2, называемому сво­бодным, присоединяются компенсацион­ные 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. 8.

Таблица 8

Основные данные о термопарах

Наименованиетермопар	Условное обозначение градуировки	Верхний предел длительного применения термопары, °С
Платинородий-платина	ПП-1	1300
Хромель-алюмель	ХА	1000
Хромель-копель	ХК	600

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.

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.);

7) устройство обрат­ной связи (применяется в некоторых регуля­торах), действующее на регулирую­щий орган в направлении, обрат­ном воздействию измерительной системы.

Д ля 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. 8.3).

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 стрелко­дер­жателе3. Кри­вая измене­ния температуры запи­сывается стрелкой-пе­ром 4. Наблю­дение за работой при­бора ведется через застеклен­ное окно.

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

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

Н аиболее совершенным оптическим пирометром явля­ется мо­нохроматический опти­ческий пирометр с исчезающей нитью накала. Схема оптиче­ского пирометра приведена на рис. 8.4. 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.

Р адиационные пирометры применяют для измерения радиаци­он­ной температуры 50…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. 8.5) 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 600…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.

П

Рис. 8.6. Схема фотоэлектрического пирометра

ринципиальная схема фотоэлектрического пирометра изо­бра­жена на рис. 8.6. 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 каскада. В анодную цепь выходного каскада включена лампа накаливания 10.

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.