Глава 7. Контроль температуры

1. ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ШКАЛЫ. КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ И УСТРОЙСТВ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

Температура является одним из основных параметров, определяющую ход и продолжительность многих процессов в ли­тейных и термических цехах. Точная оценка температуры опреде­ляет эффективность автоматического управления. Многообразие поставленных задач обусловило появление и развитие большого числа разнообразных методов и устройств измерения температуры.

Под температурой понимается величина, характеризующая теп­ловое состояние тел и определяемая количеством внутренней кине­тической энергии теплового движения молекул.

Измерить температуру, подобно тому как измеряют длину, массу или объем, нельзя, так как.температуры не складываются. Не существует такой единицы температуры, которой можно непо­средственно измерять любую температуру, подобно тому как метром измеряют любую длину. Длина, масса и объем — примеры экстенсивных (количественных) свойств системы. Если металли­ческий стержень разделить на несколько частей, температура каждой из них от этого не изменится. Температура — пример интенсивных (качественных) свойств системы. Следовательно, для измерения температуры необходимо использовать объективную связь между температурой и любой экстенсивной величиной: из­менением объема, длины и т. п.

В" настоящее время предусматривается применение двух тем­пературных шкал: термодинамической и международной практи­ческой.

Термодинамическая шкала базируется на втором законе тер­модинамики, связывающим количество содержащегося в теле тепла, с его температурой. Эта шкала была предложена в сере­дине прошлого века английским ученым Томсоном, получившим за свои научные открытия титул лорда Кельвина, и носит в на­стоящее время его имя. Температуру, измеряемую по этой шкале, обозначают буквой Т, за единицу в ней принят кельвин — К- Термодинамической эта шкала называется потому, что измерение температуры проводится на основании термодинамического закона работы идеального теплового двигателя по циклу Карно. Один градус по термодинамической шкале соответствует повышению температуры, которое равно 1/100 части работы по циклу Карно между точками плавления льда и кипения воды. Такой подход к определению одного градуса был обусловлен сохранением преем­ственности со стоградусной шкалой Цельсия.

В производственной практике наиболее широко используется Международная практическая температурная шкала 1968 г. (МРТП—68), которая совпадает с термодинамической шкалой и позволяет расширить температурный диапазон работы приборов. Она установлена для интервалов температур 13,81 ... 6300 К-

При измерении разности температур градус Цельсия (°С) в точности равен Кельвину, но в Международной практической шкале за 0 °С принята температура тающего льда при нормальном атмосферном давлении, а температура кипящей воды при том же давлении принята за 100 °С. Для перехода от температуры в кель­винах (Т) к температуре в градусах Цельсия (£) и наоборот служит формула

Т = t + 273,15.

Для измерения температуры твердых, жидких и газообразных сред на практике используется большое число разнообразных устройств, которые в общем носят названия термометров.

Все технические приборы по методу измерения температуры подразделяют на две группы: контактные и бесконтактные. К пер­вой группе относятся термометры расширения, монометрические, термоэлектрические термометры и электрические термометры со­противления (терморезисторы). Во вторую группу входят пиро­метры различного типа. Приведенная классификация положена в основу при рассмотрении приборов и устройств контроля тем­пературы.

2. ТЕРМОМЕТРЫ РАСШИРЕНИЯ

. Как правило при повышении температуры тела увели­чиваются в объеме. Поэтому свойство изменять объем при нагреве или охлаждении может служить мерой его температуры. Приборы, работа которых основана на этом принципе, называют термометра­ми расширения; их подразделяют на три группы: жидкостные стеклянные, дилатометрические (стержневые] и биметаллические.

Принцип действия жидкостных стеклянных термометров осно­ван на различии коэффициентов объемного расширения жидко­сти (термометрические вещества) и стекла, используемого для удержания жидкости.

Жидкостные термометры представляют собой небольшой стек­лянный (реже кварцевый) резервуар (ампулу), верхняя часть ко­торого переходит в вертикальный капилляр.

Резервуар и частично капилляр заполнены термометрической жидкостью. Резервуар современных жидкостных термометров — вытянутый (или сплющенный) цилиндр. Диаметр капилляра вы­бирают в зависимости от диапазона и точности измерения темпе­ратуры. Чем выше точность термометра, тем меньше диаметр капилляра.

В зависимости от диапазона измерения в качестве термометри­ческой жидкости используют пентан (—200 ... +20 °С), петролей- ный эфир (—120 ... +25 °С), этиловый спирт (—80... +70 °С), толуол (—90 ... +200 °С), керосин (—60 ... +300 °С) и ртуть (—35 ... +750 °С).

При контакте с контролирующей средой термометр принимает ее температуру, а термометрическая жидкость нагревается или ох­лаждается, изменяя свой объем, т. е. уровень в капилляре. Именно по уровню жидкости судят о температуре.

Наиболее распространены ртутные термометры, что обуслов­лено целым рядом причин. Во-первых, ртуть остается жидкой в диапазоне температур —38 ... +350 °С при нормальном давле­нии и до +750 °С при небольшом повышении давления (для чего капилляр заполняется азотом) и обеспечивает высокую точность измерения. Во-вторых, ртуть легко поддается очистке, ее пары в ка­пилляре создают малое давление, она не смачивает стекло. По­следнее позволяет использовать капилляры с диаметром канала до 0,1 мм. Однако по сравнению с органическими жидкостями ртуть имеет в 8 раз меньший коэффициент объемного расширения, что естественно снижает чувствительность ртутных термометров (табл. 2).

Органические жидкости характеризуются в свою очередь меньшими стоимостью и вредностью в эксплуатации. Их приме­няют для измерения более низких температур. Вследствие смачи­вания стекла термометры с органическими жидкостями имеют меньшую точность измерения.

Для обеспечения задач позиционного регулирования и сигна­лизации температуры разработаны электроконтактные (ртутно­контактные) технические термометры двух типов: с постоянными контактами и подвижным верхним контактом.

Первый тип представляет собой ртутный термометр с впаян­ными в капилляр платиновыми контактами. Нижний (нулевой)

Таблиця 2

Технические характеристики стеклинных ртутных, термометров типа ТТ

Примечания: 1. Длина верхней части термометров, приведенных в таблице, равна 240 мм. Термометры П-2—П-6 и У-2—У-6 с максимальной ценой деления шкалы выпускают с длиной верхней части 160 мм. 2. Диаметр верхней части термометра равен 20 мм, нижней — не более 8,5 мм. 3. Погрешность показаний термометров не превышает одного деления шкалы.

контакт находится ниже начала шкалы, а верхний (их может быть несколько) впаян на уровне отметки шкалы, которая соответствует контролируемой температуре. В электроконтактных термометрах второго типа перемещающийся верхний контакт изготовляют из тонкой вольфрамовой проволоки. Контакт перемещают внутри капилляра с помощью постоянного магнита. Такой термометр обычно оснащается двумя шкалами: верхней — для установки контакта на заданную температуру, и нижней, по которой произ­водится отсчет температуры.

Преимуществами жидкостных термометров являются простота их устройства и небольшая стоимость при относительно высокой точности показаний. К числу недостатков жидкостных термометров относятся значительная тепловая инерция (запаздывание показа­ний), невозможность автоматической регистрации и передачи на расстояние без дополнительных специальных приспособлений и низкая прочность. В литейных и термических цехах их исполь­зуют только для измерения температуры воздуха цеха, темпера­туры свободных концов термопары, для проверки приборов в лабораторных условиях, для измерения температуры охлажда­ющей жидкости в закалочных баках и ваннах и т. п.

Действие дилатометрических и биметаллических термометров основано на различии температурных коэффициентов линейного расширения твердых тел,а.

Таблица З Технические характеристики дилатометрических гермометров

Рис. 47. Дилатометриче­ский показывающий тер­мометр

В дилатометрическом термометре (рис. 47) чувствительным элементом является латунная трубка 3 (активный элемент), вну­три которой находится инварный (или кварцевый) стержень 2 (пассивный элемент). Инварный стержень применяется для рабо­чих температур до 150 °С, а кварцевое стекло — для температур более 150 °С. Один конец трубки закрыт пробкой 1, второй — ввин­чен в корпус 4, где находятся передаточный механизм, стрелка и шкала. С помощью ниппеля 5 термометр закрепляется на стенке или крышке устройства, в котором измеряется температура. При повышении температуры длина трубки 3 увеличивается зна­чительно больше, чем длина стержня 2, вследствие чего он пере­мещается внутри трубки, увлекая за собой опирающийся на него толкатель 6. С помощью передаточных рычагов 7, 8 и 9 и пружины 10 толкатель 6 воздействует на стрелку //, которая, перемещаясь по шкале 12, занимает положение, соответствующее измеряемой температуре.

Чувствительность дилатометрического термометра определяется "го длиной, т. е. для повышения чувствительности необходимо увеличивать длину термометра (табл. 3).

Показывающие дилатометрические термометры широко приме­няют за рубежом, их производство налаживается и в нашей стране,

Рис. 48. Конструкция биметаллического термометра

где их пока еще используют в качестве первичных преобразователей температуры в системах автоматического контроля и ре­гулирования температуры. Пределы изме­ряемых температур лежат в диапазо­не —60 ... +1000 С, разбитом для каждого прибора на поддиапазоны. Например, тер­мометр марки ТуДЭ имеет 12 поддиапазо нов, его погрешность ±1,5 °С.

К преимуществам термометров этого типа можно отнести низкую стоимость, простоту устройств и высокую надежность, к недо­статкам — относительно большую тепловую инерцию.

Термочувствительным элементом биметал­лического термометра является биметалли-. чешская пластина, спираль или диск. Биме­талл получают сваркой полос двух метал­лов с разными коэффициентами линейного расширения с последующей прокаткой до нужной толщины.

Принцип действия биметаллического термометра основан на использовании разности коэффициентов линейного расширения. При изменении температуры термочувствительного элемента его свободный конец прогибается или поворачивается на определен­ный угол в сторону металла с меньшим коэффициентом линейного расширения.

Промышленность выпускает несколько типов биметаллических термометров с разной формой термочувствительного элемента. На их базе разработано несколько видов малогабаритных показы­вающих приборов и сигнализаторов.

Схема устройства наиболее простого биметаллического термо­метра (преобразователя) показана на рис. 48. На пластмассовом основании 5 закреплены две пластины: обыкновенная и биметал­лическая 4. На биметаллической закреплен контакт 3, а на обык­новенной Остановлен задающий винт 2, предназначенный для из­менения пределов срабатывания. Все устройство помещено в за­щитный кожух /. При изменении температуры окружающей среды биметаллическая пластина 4 прогибается и замыкает контакты.

Диапазон измеряемых температур с помощью биметаллических термометров +50 ... +400 °С. Погрешность термометров лежит в пределах ±4 %. Достоинствами термометра являются простота устройства, низкая стоимость и значительная разрывная мощ­ность контактного устройства. К недостаткам относятся большая инерционность и гистерезисный характер зависимости положения контактов от температуры, т. е. несовпадение температуры замыка­ния и размыкания контактов.

Биметаллические термометры находят применение в установ­ках пылеулавливания и очистки технологических и вентиляцион­ных газов в системах регулирования лабораторных термических печей, а также в системах защиты электродвигателей от перегру­зок.

3. МАНОМЕТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ

Манометрический термометр — прибор, действие кото­рого основано на использовании зависимости между температурой и давлением термометрического вещества (газа или жидкости). Известны четыре разновидности манометрических термометров: газовые, заполненные азотом, жидкостные (ртуть); конденсацион­ные или парожидкостные (хлористый метан и др.) и адсорбцион­ные (углекислый газ).

Основные характеристики манометрических термометров при­ведены в табл. 4. Конструктивно манометрический термометр (рис. 49) представляет собой герметическую систему, состоящую из металлического термобаллона 3, соединенного капиллярной грубкой 2 с манометром 1, который имеет шкалу, градуированную в градусах Цельсия.

В термометрах с газовым наполнителем используется физиче­ская зависимость давления газа, заключенного в замкнутом объ­еме, от температуры. Эти термометры имеют низкий температур­ный коэффициент давления (р — Р₀/273°, Па/К)- Они чувствитель­ны к изменению барометрического давления и температуры. Для уменьшения влияния барометрического давления термометр заполняют газом при давлении 1 МПа и выше.

Таблица 4

Характеристики манометрических термометров

Рис. 49. Манометрический термометр

В термометрах с жидким наполнителем ис пользуется изменение объема жидкости с из­менением ее температуры. Изменение объема характеризуется коэффициентом объемного расширения.

При изменении температуры контролиру­емого объекта изменяется давление в замкну­той системе. Например, манометрической пру­жиной давление преобразуется в перемеще­ние стрелки прибора. В манометрических термометрах пружины выполняют, как пра­вило, в виде металлической (сталь, латунь или бронза) изогнутой трубки, имеющей либо овальное сечение, либо сечение в форме восьмер­ки с двумя каналами каплевидной формы и не­зажатым средним участком. Такая форма повышает механическую прочность пружины и увеличивает внутренний объем, что умень­шает дополнительную температурную погрешность, обусловлен­ную изменением температуры окружающей среды. Термобаллон изготовляют из латуни или нержавеющей стали. Если латунь уменьшает тепловую инерцию термометра, то нержавеющая сталь обеспечивает коррозионную стойкость. Металлический капилляр обычно изготовляют из медной или стальной трубки с внутренним диаметром 0,15 ... 0,25 мм и наружным диаметром 2,5 мм. Для защиты от механических повреждений капилляр с внешней сто­роны покрывают металлической оплеткой.

Тип прибора определяет и размеры термобаллона. Они наименьшие у жидкостных термометров и наибольшие у га­зовых.

Манометрические термометры выпускают трех видов: показы­вающие, регистрирующие (с ленточными и дисковыми диаграмма­ми) и комбинированные. Первые два вида могут оснащаться элек­трическими контактными устройствами, предназначенными для сигнализации и позиционного регулирования. Регистрирующие приборы выпускают с электрическим или пневматическим приво­дом, а также с часовым механизмом. В последнем случае мано­метрические термометры взрывобезопасны.

Распространение манометрических термометров несколько ог­раничивается высокими требованиями к герметичности системы и трудностью ремонта в случае ее разгерметизации. До послед­него времени в промышленности широко применяют показыва­ющие манометрические термометры типа ЭКТ. В связи с тем, что приборы этого типа страдают рядом недостатков, их заменяют в настоящее время на приборы типа ТПГ-С (ТПП-С), которые более совершенны. Эти приборы оснащены контактными устрой­ствами.

Манометрические термометры применяют для контроля темпе­ратуры охлаждающей воды в установках для обработки холодом; температуры воздуха, жидкого и газообразного топлива в уста­новках для получения защитных атмосфер, используемых в тер­мических печах и т. п.

4. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ

Термоэлектрическим термометром называют устройство, состоящее из термоэлектрического преобразователя (термопары), вторичного измерительного прибора и соединительных проводов. В основе измерения температуры термоэлектрическим термометром лежит открытое в 1821 году Т. Зеебеком термоэлектрическое яв­ление. Это явление заключается в том, что в цепи, составленной из двух соединенных между собой проводников А и Б (рис. 50, а) при наличии разности температур в точках соприкосновения (спаях) / и 2 возникают две термоэлектродвижущие силы (тер- моЭДС).

Для включения прибора необходимо разорвать цепь термо­пары в спае 2 (рис. 50, б) либо разорвать один из термоэлектродов (рис. 50, в). В первом случае у термопары будет три спая: один горячий / и два: 2 и 3'— холодные, которые должны иметь по­стоянную температуру <₀. Во втором случае у термопары окажется четыре спая: один горячий /, один холодный 2 и два нейтральных: 3 и 4, Спаи 3 и 4 должны иметь одинаковую температуру.

Абсолютное значение термоЭДС промышленных термопар очень невелико (порядка нескольких милливольт), поэтому для его измерения необходимо применять достаточно чувствительные приборы.

В тех случаях, когда желательно получить большую термо­ЭДС (например, при измерении низких температур), применяют последовательное включение термопар (рис. 51, а). Если необ­ходимо получить разность температур двух точек, то термопары

Рис. 50. Схема термоэлектрического термометра:

^а термоэлектрическая цепь из двух разнородных проводников; бив — включение измерительного прибора в цепь первичного преобразователя .

V V

а) Ф б)

Рис. 51. Схемы включения термоэлектрических термометров:

_а — последовательное; б — для измерения разности температура; в — параллельное

включают навстречу одна другой (рис. 51, б). Такая термопара называется дифференциальной. Если необходимо измерить сред­нюю температуру нескольких точек одновременно, то применяют параллельное соединение нескольких термопар (рис. 51, в).

Существует достаточно много различных материалов, которые в паре друг с другом образуют термопару. Однако практическое применение нашло ограниченное число материалов.

По характеру применяемых материалов термопары могут быть разбиты на три группы: из благородных металлов, неблагородных металлов и из металлических электродов в паре с неметаллами.

Термопары третьей группы отличаются низкой механической прочностью, но обладают весьма значительной термы ЭДС, пре­восходящей в несколько раз термы ЭДС термопар первых двух групп.

В настоящее время наиболее широкое применение получили термопары со стандартной градуировкой. В табл. 5 приведены их характеристики, а на рис. 52 — градировочные кривые.

Для изготовления термопар чаще всего применяют электроды в виде проволоки диаметром 1,5 ... 3,2 мм для термопар из не­благородных металлов и диаметром 0,5 — для благородных. Для

Таблица 5

Основные характеристики термоэлектрических термометров

Рис. 53. Конструкция арматуры термоэлек­трического термометра:

I — корпус с крышкой; 2 — клеммная коробка; 3 — фарфоровые бусы; 4 — штуцер с резьбой;

Б — защитный чехол; 6 — термопара

измерения температуры поверхности применяют ленточные и ле- пешечные термопары.

Термопары обычно изготовляют сваркой или пайкой. Так как термоэлектроны должны соприкасаться друг с другом только в рабочем конце (горячем спае), то по всей длине их изолируют друг от друга. Для внутренней изоляции отдельных электродов из неблагородных металлов применяют фарфоровые одноканаль­ные трубочки (бусы). Термоэлектроды платинородий - платиновой термопары по всей длине изолируют друг от друга фарфоровой одно канальной трубкой, надетой на платиновый электрод, или двухканальной фарфоровой трубкой. Для защиты от механических повреждений и непосредственного воздействия вредных газов термоэлектроды помещают в защитный чехол (рис. 53).

В качестве вторичных приборов в термометрических термо­метрах используют пирометрические милливольтметры (гальвано­метры) и компенсационные приборы (потенциометры).

Пирометрические милливольтметры — приборы магнитоэлек­трической системы. Их работа основана на принципе взаимодей­ствия проводника, по которому протекает электрический ток, с магнитным полем постоянного магнита.

Милливольтметр (рис. 54) состоит из постоянного магнита 2, на концах которого расположены полюсные наконечники 3 из мягкого железа, и неподвижного стального магнитолровода 5. Наличие цилиндрического магнитопровода в междуполюсном про­странстве магнита уменьшает магнитное сопротивление, создает равномерный зазор и формирует радиальный магнитный поток. В кольцевом воздушном зазоре между полюсными наконечниками и магнитопроводом размещается прямоугольная рамка 4, состоя­щая из большого числа витков изолированного медного провода. С обеих сторон по центру рамки установлены полуоси, на которых рамка может поворачиваться в опорных подшипниках, изготов­ленных из рубина или агата. Ось вращения рамки совпадает с осью магнитолровода.

Рамка поворачивается вместе с легкой стрелкой 1, один конец которой перемещается вдоль шкалы, а на втором расположены два усика с грузами 6. Перемещением грузов по винтовой ^нарезке добиваются уравновешивания подвижной системы, т. е. совпаде­ния центра тяжести с осью вращения. Для создания противодей­ствующего момента и подвода тока к подвижной рамке служат две спиральные пружины 7, изготовленные из фосфористой бронзы. Добавочный резистор #_ДОб> выполненный из манганиновой про­волоки, используется для подгонки диапазона шкалы и ограни­чения влияния изменений температуры окружающей среды на по­казания прибора (температурный коэффициент сопротивления манганина — низкий). Подгонка внешнего сопротивления осу­ществляется резистором /<?_вн, значение его подбирается по сопро­тивлению внешней цепи (сопротивление резистора /?_вн внешней цепи должно соответствовать значению, указанному на шкале прибора).

При измерении температу рыток от термопары поступает' в рамку через спиральные пружины. Протекающий по рамке ток взаимодей­ствует' с магнитным полем постоянного магнита, вследствие чего рамка поворачивается под действием момёнта. Поворот рамки прекратится при уравновешивании двух моментов. Переменной величиной практически являет­ся сопротивление подсоедини- тельных проводов, т. е. их длина оказывает влияние на показания прибора.

Промышленность выпускает показывающие, регистриру­ющие и регулирующие милли- вол ьтметры. Шкала градуи­руется либо в градусах тем­пературы, либо в милливоль­тах, применяется и двойная градуировка шкалы. Техниче­ские характеристики показы­вающих милливольтметров при­ведены в табл. 6.

Поверка милливольтметров сводится к определению соот­ветствия градуировки и клас- |_ са точности приведенным зна­чениям. Она проводится с по­мощью лабораторных прибо- Рис. 54 Схема милливольтметра

Технические характеристики милливольтметров

Таблицяб

ров более высокого класса точности. На вход обоих приборов от источника регулируемого напряжения одновременно подается одинаковый сигнал. Результаты измерений сравнивают при пря­мом и обратном ходе (увеличение и уменьшение напряжений) и определяют погрешности поверяемого милливольтметра.

Компенсационными приборами (потенциометрами) называют приборы, которые используются для измерения температуры компенсационным (потенциометрическим) методом. Этот метод основан на уравновешивании (компенсации) измеряемой термо- ЭДС, равной по значению, но обратной по знаку ЭДС вспомога­тельного источника тока.

Потенциометры делят на две группы: неавтоматические и ав­томатические.

Рис. 55. Схема потенцио­метра

Термопара, термоЭДС которой необхо­димо измерить, подключается одним кон­цом к точке D, а вторым — через нуль- гальванометр 1 к точке А. Нуль-гальва- нометр выполняет функции индикатора наличия тока в цепи термопары и пред­ставляет собой чувствительный милли­вольтметр, имеюищй двустороннюю шкалу.

Так как значение термоЭДС прямо пропорционально сопро­тивлению участка AD реохорда R_p, то шкалу прибора, относитель­но которой перемещается движок 3, можно отградуировать в еди­ницах напряжения электрического тока либо температуры.

По сравнению с милливольтметром потенциометр обладает следующими двумя преимуществами: отсутствует электрический ток в цепи термометра в момент измерения и исключена операция измерения тока.

Автоматические потенциометры предназначены для измерения, записи, сигнализации и регулирования (при наличии регулирую­щего устройства) температуры, изменение которой может быть преобразовано в изменение напряжения постоянного тока.

Наибольшее распространение в литейных и термических цехах получили автоматические показывающие и регистрирующие по­тенциометры типа КСП4 с ленточной диаграммой и типа КСПЗ с круглой диаграммой.

Электронные автоматические потенциометры типа ЭПД с за­писью на дисковой диаграмме предназначены для работы с термо­парами стандартных градуировок (ХА, ХК и ПП) и телескопом радиационного пирометра типа РПС. Градуировка шкалы выпол­нена в градусах температуры: запись — непрерывная чернилами на дисковой диаграмме диаметром 300 мм, время одного оборота диаграммы 24 ч, время прохождения всей шкалы пером и стрелкой не более 5 с, установка рабочего тока — полуавтоматическая.

Электронные потенциометры типа КСП4 производят запись на ленточной диаграмме. Возможно изменение скорости записи (восемь ступеней) от 60 до 1414 мм/ч. Приборы выпускают для записи по 2, 3, 6, 12 и 24 каналам, в них предусмотрены сигнализа­ция об окончании диаграммной бумаги и автоматическая оста­новка.

Запись проводится в прямоугольных координатах на диа­граммной ленте шириной 275 мм: в одноканальных приборах непре-

Технические характеристики потенциометров, мостов и милливольтметров

рывно чернилами, а в многоканальных — циклично печатающим устройством. Время прохождения регистрирующей кареткой всей шкалы может изменяться в пределах 1 ... 8 с.

Потенциометры типа КСП4 предназначены для измерения тем­пературы в комплекте с термопарами стандартных градуировок ХА, ХК и ПП и телескопом радиационного пирометра. Класс точности автоматических потенциометров — 0,5.

Технические характеристики основных автоматических потен­циометров помещены в табл. 7.

Рассмотрим принципиальную схему электронного потенцио­метра КСП4 одно канального исполнения (рис. 56). Питание моста

производится от источника стабилизированного напряжения ИСП, который при напряжении 5 В дает ток 5 мА.

Конденсаторы С/, С2 и СЗ совместно с резисторами Я1, Я2 и ЦЗ образуют фильтры, которые устраняют помехи, возникающие в цепи термопары под действием внешних магнитных полей. Как только в цепи термопары 777 появляется разность напряжений между термо ЭДС термопары и уравновешивающим ее напряже­нием реохорда, возникает ток разбаланса, который из постоянного преобразуется вибропреобразователем в переменный и подается на вход усилителя УЭД, состоящего из усилителя напряжения и усилителя мощности. К выходу усилителя мощности подклю­чается одна из обмоток реверсивного исполнительного двигателя РД-09, вторая обмотка которого питается от сети. Конденсаторы С4 и С5 обеспечивают получение сдвига фаз (на 90°). Ротор элек­тродвигателя РД-09 кинематически связан с движком реохорда Я4, пишущим пером диаграммы и с показывающей стрелкой шка­лы. Электродвигатель РД-09 вращается в определенную сторону и движок передвигается по реохорду до наступления компенсации термо ЭДС термопары и уравновешивающего его напряжения, отчего ток разбаланса становится равным нулю и система останавли­вается. Реакция усилителя настолько быстра, что систему можно считать практически безынерционной.

Реохорд выполнен из сплава (палладий с вольфрамом), имею­щего высокую стойкость против истирания, а контакты движка выполнены из сплава золота, серебра и меди.

Синхронный двигатель СД-54 предназначен для перемещения диаграммной ленты. Он питается непосредственно от сети и вклю­чается тумблером Б1. Общее включение прибора осуществляется’ тумблером Б2.

Поверка автоматических потенциометров осуществляется с по­мощью образцовых потенциометров, погрешность которых в 5 раз меньше, чем у поверяемых приборов. При поверке на вход пове­ряемого и образцового потенциометров подается одинаковое на­пряжение от регулируемого питания, с помощью которого ука­затель поверяемого прибора устанавливают на заданную отметку шкалы, а затем измеряют это напряжение образцовым прибором.

Б. ТЕРМОМЕТРЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ И ТЕРМИСТОРЫ

В литейных и термических цехах для измерения тем­пературы до 650 °С широко распространен способ, основанный на зависимости электрического сопротивления проводников и полу­проводников от их температуры. Зная зависимость между сопро­тивлением чувствительного элемента и его температурой, можно, замеряя сопротивление, определить значение температуры с весьма высокой точностью (до 0,02 °С).

Чувствительные элементы, выполненные из металлических проводников, называют термометрами сопротивления.

Термометр сопротивления (термочувствительный элемент) пред­ставляет собой металлическую проволоку, намотанную на каркас. К материалу проволоки предъявляется ряд требований. Он должен иметь высокий температурный коэффициент для получения хорошей чувствительности, большое удельное сопротивление, оп­ределяющее его размеры, устойчивость физических свойств при значительных изменениях температуры, хорошую воспроизводи­мость состава, стойкость к воздействиям окружающей среды, линейность и стабильность характеристик во времени.

Лучше других указанным требованиям отвечают платина (ин­тервал температуры +200 ... + 1Ю0^СС) и медь (интервал темпе­ратуры —50 ... +200 °С).

Платиновые термометры сопротивления (ТСП) изготовляют цз проволоки диаметром 0,03 ... 0,1 мм. Намотка выполняется безындукционной (бифилярной), что обеспечивает возможность включения термометра в схему, питаемую как постоянным, так и переменным током. Для каркаса платиновых термометров ис­пользуют плавленый кварц или керамику на основе окиси алюми­ния.

Рис. 57. Конструкция термометра сопротив­ления

Основными недостатками платины являются высокая стоимость, возможность загрязнения н охрупчивания в восстановительной среде.

К достоинствам меди в первую очередь следует отнести низкую стоимость и возможность получения очень тонкой проволоки вы­сокой степени чистоты.

Промышленность выпускает термометры сопротивления уни­фицированной конструкции для измерения температуры газооб­разных и жидких сред (рис. 57). Термометр состоит из чувстви­тельного элемента 6, помещенного в защитный стальной чехол 5, на который приварен штуцер с резьбой 4, служащий для крепле­ния термометра. С помощью проводов, армированных фарфоро­выми бусами 3, чувствительный элемент соединяется с клеммной колодкой 2, расположенной в корпусе 1.

Основные параметры термометров сопротивления приведены в табл. 8.

Выходной сигнал термометров является стандартным, и каж­дому значению температуры соответствует строго нормированное значение сопротивления (ГОСТ 6651—84).

Полупроводниковые термосопротивления (ПТР) или терми­сторы, температурный коэффициент которых в 8—10 раз больше, чем у чистых металлов, получили широкое распространение в ав­томатических системах регулирования температуры. В литейном производстве нх используют как переносные вспомогательные приборы для быстрого измерения температуры охлаждающихся отливок.

В зависимости от материала термисторы подразделяют на медно-марганцевые (ММТ) и кобальтомарганцевые (КМТ). Диапа­зон измеряемых ими температур —70 ... +180 °С. Конструктивно их выполняют в виде небольших цилиндров, дисков, шайб, бу-

Таблица 8

Технические характеристики термометров сопротивления

синок, помещенных в защитный металлический или стеклянный баллон.

Значения сопротивления термистора и его температурного коэффициента а весьма велики, что обеспечивает высокую точ­ность измерения температуры. К недостаткам термисторов отно­сится сравнительно низкая стабильность параметров. Выпускае­мые промышленностью термисторы имеют разброс ро сопротивле­нию до +20 % от номинала, что затрудняет их взаимозаменяе­мость.

В качестве вторичных приборов, работающих с термометрами сопротивления, в промышленности нашли применение логометры и уравновешивающие мосты (ручные и автоматические).

Логометры являются приборами магнитоэлектрической системы, предназначенными для измерения соотношения двух токов — в цепях термометра и постоянного резистора.

Подвижная система логометра (рис. 58) состоит из двух скре­щенных под углом 15—20° и жестко связанных между собой ра­мок /?_р1 и #_ра. Они изготовлены из тонкой изолированной медной проволоки и могут поворачиваться в двух керновых опорах. Магнитная система логометра подобна магнитной системе милли­вольтметра и отличается от нее только формой воздушного зазора между магнитопроводом 1 и полюсными наконечниками 2. В ло­гометрах воздушный зазор уменьшается от центра полюсных наконечников к их краям, благодаря чему магнитная индукция увеличивается от центра к краям приблизительно по квадратичному закону. Подвод тока к рамкам осуществляется через спиральные пружины с малым противодействующим моментом. С помощью этих пружин обеспечивается возврат рамок и жестко связанной с ним стрелки 3 в исходное положение при отключении источника б.

Рис. 59. Схема уравновешивающего моста с ручной компенсацией

І—ф5—-

лого-

Рамки получают питание от одного источника: в цепь первой рамки включен постоянный резистор В.1, а в цепь второй рамки — постоянный резистор Ц2 и переменное сопротивление термометра сопротивления Постоянные резисторы Я1 и Я2 изготовляют из манганина. Так как вращающие моменты М_х и М_я рамок на­правлены навстречу друг другу, то при их равенстве подвижная система находится в покое.

Допустим, что в начальном состоянии /?_р1 + + /?( —

— + Я*, следовательно, токи рамок равны (1_г — /_а) и под­

вижная система занимает положение, симметричное относительно оси магнитной системы. При повышении температуры контроли­руемой среды сопротивление термометра возрастает, что при­водит к уменьшению тока /₈ и вращающего момента М_я второй рамки. Подвижная система под действием большего момента начнет поворачиваться по часовой стрелке, причем вторая рамка будет переходить в зону большей, а первая рамка — в зону мень­шей магнитной индукции. В определенном положении подвижной системы вновь наступит равновесие.

Таким образом, угол поворота подвижной системы можно рассматривать как функцию сопротивления термометра.

В настоящее время промышленность выпускает только пока­зывающие логометры марок Л-64, Л-64И, Л-64-02 с градуировками Гр. 21, Гр. 22, Гр. 23, внешним сопротивлением 5 и 15 Ом и клас­сом точности 1,5.

Уравновешенные мосты выпускают двух типов: лабораторные (с ручной компенсацией) и технические (автоматические).

Рассмотрим принципиальную схему уравновешенного моста с ручной компенсацией (рис. 59). Уравновешенный мост состоит из трех резисторов Я1, /?2 и /?3, реохорда /?_р, термометра со­противления источника питания б, нуль-гальванометра РА, включенного в диагональ моста А Б, и уравновешивающихся ка­тушек 7?_л. Работа прибора заключается в следующем. Если между значениями сопротивлений плеч достигается соотношение (/?_г -}- + ^гг) (Ра + *я) = Кв/Яг, то в диагонали моста А Б ток отсутствует. При повышении температуры сопротивление изменится и на­рушится равновесие моста. В диагонали моста появится ток, на­правление которого зависит от изменения температуры. Чтобы измерить температуру, необходимо систему привести в равнове­сие. Для этого вручную изменяют соотношение сопротивлений реохорда г_х и г_а до тех пор, пока стрелка нуль-гальванометра не установится на нулевую отметку. По положению движка реохорда определяют температуру среды, в которую помещен термометр сопротивления. В рассмотренном приборе напряжение источника питания не оказывает влияния на показания прибора. Однако сильное снижение напряжения приводит к уменьшению чувстви­тельности нуль-гальванометра, а чрезвычайно высокие напряже­ния вызовут дополнительный нагрев чувствительного элемента.

Электронные автоматические мосты предназначены для не­прерывного измерения, записи и регулирования температуры в комплекте с термометрами сопротивления стандартных граду­ировок. При наличии элемента дистанционной передачи вместо регулирующих элементов некоторые модификации приборов мо­гут осуществлять ^передачу на дублирующий прибор. Приборы выпускают одно- и многоканальные (см. табл. 7).

Поверка автоматических мостов и логометров осуществляется с помощью образцового магазина резисторов с ценой деления 0,01 Ом. Вместо термометра сопротивления на вход прибора под­ключается резистор из магазина. Согласно градуировочной ха­рактеристике каждому значению шкалы прибора соответствует определенное сопротивление. Измеряя сопротивление резистора из магазина, стрелку прибора точно устанавливают на цифровой отметке шкалы. Разность между стандартным значением и со­противлением образцового резистора из магазина определяет погрешность прибора.

в. БЕСКОНТАКТНОЕ ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ

Тела при нагреве до 500 °С испускают инфракрасные лучи, не воспринимаемые человеческим глазом. При дальнейшем повышении температуры тело начинает светиться сначала темно­красным цветом, а затем, по мере роста температуры, красным, оранжевым, желтым и, наконец, белым. С повышением темпера­туры тела возрастает также интенсивность монохроматического излучения и еще в большей мере — полное интегральное излуче­ние энергии. Приборы, предназначенные для контроля темпера­туры путем измерения энергии, излучаемой нагретым телом, на­зывают пирометрами. В зависимости от принципа работы разли­чают пирометры суммарного излучения (измеряется полная энер- гая излучения), частичного излучения (измеряется энергия участка спектра излучения, ограниченного фильтром) и спектрального отношения (измеряется отношение энергий фиксированных уча­стков спектра).

В основу пирометра первого типа положена зависимость между температурой тела и его суммарной энергией излучения. Полная энергия Е₀, излучаемая абсолютно черным телом, при температу­ре Т определяется выражением

Е₀ = <г₀7’⁴,

где о₀ — коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела, Вт/(м⁸- К⁴).

Радиационной температурой реального тела называется такая температура черного тела, при которой суммарная энергия излу­чения черного тела Е₀ равна энергии излучения реального тела Е, т. е.

Е₀ = Е

или

е_рО₀Гнет “ ОоТ⁴.

Отсюда

Т„С1 = Т V 1/е_р,

где Тис., — истинная температура реального тела; е_р — инте­гральная степень черноты тела, зависящая от температуры и фи­зико-химической природы тела.

К основным узлам радиационного пиромегра, являющегося измерителем полного излучения, относятся оптическая система и термочувствительный элемент — батарея термопар и измери­тельный прибор.

Радиационный пирометр РАПИР предназначен для измерения температуры в диапазоне +400 ... +2500 °С. Основным узлом прибора является телескоп ТЭРА-50 (рис. 60, а). Телескоп со­стоит из корпуса 1, внугри которого установлена линза-объектив 2, фокусирующая через диафрагму 3 поток лучистой энергии

Рис. 60, Телескоп ТЭРА-50 радиационного пирометра: а — конструкция; б — термочувствительный элемент

нагретого тела на термочувствительный элемент 4 (рис. 60, б). Диаграмма ограничивает телесный угол визирования, что исклю­чает влияние размеров нагретого тела и его расстояния до теле­скопа на показания.

Сигнал, преобразованный чувствительным элементом в термо- ЭДС, измеряется вторичным прибором, которым может быть по­тенциометр или милливольтметр. Для правильной наводки теле­скопа служит линза окуляра 5, установленная в крышке 6 теле­скопа. Там же установлен светофильтр 7, предназначенный для защиты глаза наблюдателя при наводке на тело, нагретое до вы­сокой температуры.

С помощью фланца 8 корпус крепится к защитной арматуре. В комплект защитной арматуры входят узлы воздушного и водя­ного охлаждения и калильные трубки, предназначенные для из­мерения температуры рабочего пространства топливных печей в случае сильной загрязненности и наличия пламени.

Чувствительный элемент выполнен из десяти хромель-копеле- вых термопар, соединенных последовательно, что позволяет зна­чительно повысить чувствительность прибора. Для лучшего по­глощения тепловой энергии к рабочим концам термопар припаяны зачерненные с лицевой стороны тонкие пластины из платиновой фольги. Свободные концы термопар приварены к тонким пласти­нам, с помощью которых термопары крепят на слюдяном кольце.

В зависимости от диапазона измеряемой температуры выпу­скают три типа телескопов (ТЭРА-50), отличающиеся друг от друга устройством чувствительного элемента. Кроме описанной выше конструкции в качестве чувствительного элемента исполь­зуют батареи миниатюрных термометров сопротивления или раз­личные полупроводниковые фоторезисторы.

На показания радиационных пирометров оказывает влияние поглощение лучистой энергии водяными парами и углекислым газом, которые имеются в воздухе. Поэтому оптимальным счи­тается расположение пирометра на расстоянии 0,8—1,3 м от объ­екта измерения.

Радиационные пирометры применяют для автоматического кон­троля и регулирования температуры в рабочем пространстве плавильных и топливных термических печей, соляных ванн, т. е. в тех случаях, когда приборы для измерения температуры кон­тактным методом применять невозможно вследствие разрушения их чувствительных элементов при высоких температурах.

Ко второй группе приборов относятся оптические и фотоэлек­трические пирометры.

Принцип действия (рис. 61) оптического пирометра с «исчеза­ющей» нитью основан на сравнении яркостей объекта измерения и нити фотометрической лампы накаливания. Пирометр состоит (рис. 61, а) из передвижного объектива 3 с линзой 2, фотометриче­ской лампы накаливания 4, яркость нити которой регулируется реостатом 7. Для питания лампы используется батарея 8.

Рис. 61. Оптический пиро­метр с исчезающей нитью: а — схема прибора; б, в и г — изображение инти иа фойе объ­екта измерений (б — яркость нити меньше яркости объекта; в — яркость нити больше ярко­сти объекта; г — яркость иити совпадает с яркостью объекта)

6) в) г)

Опера

^а)

На точность измерения этим прибором оказывают влияние расстояние до объекта измерения, запыленность помещения и по­падание посторонних лучей. Так как оптический пирометр яв­ляется прибором с ручной наводкой, то он предназначен только для периодических измерений. Оптимальное расстояние от пирометра до измеряемого объекта 0,7 ... 6 м. В литейных цехах его применяют для контроля температуры жидкого металла при раз­ливке в литейные ковши и при заливке металла в формы. В тер­мических цехах пирометр используют для периодического контроля температур в печах-ваннах и топливных термических печах.

Оптический пирометр с исчезающей нитью, в котором нуль- прибором служит глаз оператора, не может быть использован для автоматического регулирования температуры и для измере­ния температуры быстропротекающих процессов. В этих случаях применяют фотоэлектрический пирометр, в котором измерение температуры осуществляется объективным и безынерционным ме­тодами. В качестве приемников у них используются фотоэлемен­ты, фотодиоды и фоторезисторы.

Фотоэлектрические пирометры делят на две группы. К первой относятся пирометры, у которых значение фотопотока приемника излучения пропорционально яркости излучения нагретого тела. У пирометров второй группы фотоприемник служит только инди­катором равенства яркостей объекта измерения и стабилизиро­ванного источника излучения.

Фотоэлектрические пирометры первой группы имеют более простую конструкцию. Поток лучистой энергии у них с помощью линзы и диафрагмы фокусируется на приемной площадке герма­ниевого или кремниевого фотодиода, работающего в генераторном режиме. В цепь фотодиода включен резистор нагрузки. С помощью быстродействующего потенциометра измеряется падение напряже­ния, пропорциональное фототоку, т. е. температуре объекта. Эти пирометры характеризуются малой инерционностью в работе, имеют пределы измерения 500 ... 2500 °С. Класс точности 1,5.

7. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ КОНТРОЛЕ

ТЕМПЕРАТУРЫ

К числу мероприятий по технике безопасности при эксплуатации установок и приборов для контроля температуры относятся следующие.

Все отдельно стоящие приборы, к которым подводится элек­трический ток опасного напряжения, должны быть надежно за­землены. Если приборы размещены на щитах управления, то должны быть заземлены и щиты.

Подходы к первичным преобразователям температуры, уста­новленным в труднодоступных местах, должны быть обеспечены смотровыми площадками, мостиками и лестницами.

Электропитание приборов для контроля температуры должно подводиться с центрального пульта управления. Каждая линия питания должна иметь самостоятельный переключатель и устрой­ство защиты от токов короткого замыкания.

При замере температуры жидкого металла для защиты рабо­тающих от теплового потока должны использоваться теплозащит­ные устройства, обеспечивающие интенсивность теплового потока на рабочих местах не более 0,35 кВт/кг (ГОСТ 12.4.123—83).

К замерам температуры на установках электротермического нагрева (при использовании генераторов УВЧ и СВЧ), а также при разливе металла женщины не допускаются.

Контрольные вопросы а задания

1. Что такое температура?

2. Какие шкалы температуры применяют в настоящее время?

3. Расскажите о классификации приборов для контроля температуры.

4. Как устроен и работает жидкостный термометр?

5. Как устроен и работает дилатометрический термометр?

6. Как устроен и работает биметаллический термометр?

7. Как устроен и работает манометрический термометр?

8. Расскажите о классификации манометрических термометров и их ха­рактеристиках.

9. Расскажите о принципе действия термопары.

10. Какие существуют способы включения термопар?

11. Расскажите об основных характеристиках промышленных термопар.

12. Как работает пирометрический милливольтметр?

13. Как устроен и работает переносной потенциометр?

14. Как устроен и работает термометр сопротивления?

15. Расскажите о характеристиках промышленных термометров сопротив­ления.

16. Как устроен и работает логометр?

17. Как устроен и работает мост с ручной компенсацией?

18. Как устроен и работает радиационный пирометр?

19. Расскажите об устройстве и принципе работы оптического пирометра.

20. Как устроен и работает фотоэлектрический пирометр?

Лабораторная работа 3. Измерение температуры термоэлектрическим термометром

Содержание работы. Изучить устройство, принцип действия и основные характеристики термоэлектрического термометра. Произвести поверку градуировки термопары.

Описание лабораторной установки. На рис. 62 показана схема установки для градуировки термопары. Образцовую 1 и пове­ряемую 2 термопары помещают в металлическом контейнере 3 в электрическую лабораторную печь 4, электрические нагреватели которой питаются от электросети через лабораторный автотранс­форматор (ЛАТР) 5. Свободные концы обеих термопар 10 с по­мощью компенсационных проводов 6 выносят в термостат 9, заполненный тающим льдом. В термостате свободные концы тер­мопар находятся в пробирках с маслом. Термопары подсоединяют к измерительному прибору 8 (потенциометр лабораторного типа) с помощью медных соединительных проводов и переключателя 7.

Порядок выполнения работы. 1. Собрать электрическую схему установки. 2. Включить нагрев печи и снять показания термопар для четырех—шести значений температуры через 100—200 °С,

Рис. 62. Схема установки для градуировки термопар

для чего изменять напряжение, подводимое к нагревательным элементам печи.

Содержание отчета. Отчет должен содержать краткое описа­ние принципа действия термопары, таблицу результатов прове­денных опытов и заключение по работе.

Лабораторная работа 4. Измерение температуры нагретого тела оптическим и радиационным пирометрами

Содержание работы. Изучить устройство и принцип действия оптических и радиационных пирометров. Ознакомиться с методи­кой измерения температуры с их помощью. Произвести поверку пирометров.

Описание лабораторной установки. Поверка радиационного и оптического пирометров производится сравнением их показаний с результатами замеров температуры с помощью термопары, на­клеенной на поверхность металлической пластины и подключен­ной к электронному автоматическому потенциометру. На рис. 63 показана схема для поверки пирометров.

Рис. 63. Схема установки для поверки оптических и радиационных пирометров 110

Металлическую пластину 3, для которой известны значения степени черноты, с наклеенной термопарой 2 помещают в муфель­ную печь 4, подключенную к сети через лабораторный автотранс­форматор 5. Термопара подключена к электронному автоматиче­скому потенциометру 1. На пластину направляют объективы по­веряемых оптического и радиационного пирометров 6. Установка объектива и подключение датчика к вторичному прибору должны производиться в строгом соответствии с техническими условиями на эти приборы.

В процессе работы проводят ряд замеров.

Порядок выполнения работы. 1. Ознакомиться с устройством оптического и радиационного пирометров и изучить принцип их действия. 2. Собрать схему для поверки одного из пирометров (по указанию преподавателя). Поместить металлическую пластину в муфельную печь и включить нагреватели печи. 3. Провести четыре—шесть замеров в диапазоне 800... 1200°С с помощью оптического или радиационного пирометра. Одновременно с этим контролировать температуру в комплекте с электронным автома­тическим потенциометром.

Содержание отчета аналогично лабораторной работе 3.