Принципы измерения и регулирования температуры, приборы температурного контроля.

 

Под термином «температура» имеют в виду величину, характеризующую степень нагретости вещества.

Непосредственно можно лишь приблизительно оценивать температуру тела (холодное, тёплое, горячее, раскалённое), поэтому приходится прибегать к косвенным методам измерения температуры – к измерению таких физических свойств тел, которые однозначно связаны с их температурой и в то же время могут быть сравнительно просто и с большой точностью измерены. Для этой цели используют объёмное или линейное расширение тел при нагревании (дилатометрические термометры – ртутные и манометрические), изменение их электрического сопротивления (электрические термометры сопротивления), изменение развиваемой ими (в паре с другим телом) термоэлектродвижущей силы (термопары), изменение количества излучаемой ими энергии (пирометры излучения).

ОГНЕУПОРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ Из них изготовляют внутренние части стен и детали рабочих камер печей. Огнеупорность – способность материала противостоять действию высоких температур, не расплавляясь.

огнеупорные (1580 -1770°С)

высокоогнеупор-ные (1770 — 2000°С)

высшей огнеупорности (выше 2000°С)

ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ предназначены для уменьшения тепловых потерь электропечи, к ним предъявляются следующие требования: малая теплопроводность, малая удельная теплоемкость, определенная огнеупорность, определенная механическая прочность, дешевизна и доступность. Теплоизоляционные материалы изготовляются в виде жестких и полужестких изделий - кирпичей, плит, скорлуп, сегментов, матов; в виде мягких и полумягких изделий - ваты, войлока, ткани, картона, бумаги и т. п., или в виде засыпок – кускового дробленого материала.

ЖАРОПРОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ. Из них изготавливают подовые плиты, тигли, муфели, различные экраны, загрузочно-разгрузочные устройства, транспортирующие устройства, крепления нагревателей и т. д. Жаропрочность – способность материалов сопротивляться коррозионному воздействию газов при высоких температурах.

МАТЕРИАЛЫ В ЭЛЕКТРОТЕРМИИ

 

Рис. 2.3. Классификация материалов в электротермии

 

В электрических печах для измерения температуры и в качестве датчиков для автоматического управления температурным режимом применяют главным образом термоэлектрические термометры, а в высокотемпературных печах, особенно когда нужно измерить температуру жидкого металла, используют пирометры излучения.

Термоэлектрические термометры состоят из датчика (термоэлемента, термопары), измерителя термо-ЭДС и соединительных проводов. Термоэлементы состоят из двух разнородных проводников А и В, соединённых друг с другом и образующих замкнутую цепь. Если температуры мест соединения проводников не одинаковы, то в образованной ими цепи появляется термо-ЭДС и начинает протекать ток. Значение термо-ЭДС зависит от материала обоих проводников и разности их температур. Если температуру одного из соединений t₀ поддерживать неизменной (например, как это принято, равной 0°С), то термо-ЭДС будет зависеть лишь от температуры t второго соединения (второго спая).

Хорошо зарекомендовали себя и получили широкое распространение следующие термопары.

Платинородий-платиновая (ПП). Положительный электрод состоит из сплава платины «Экстра» (90%) и родия (10%), отрицательный электрод – из платины «Экстра». Ввиду дороговизны материала диаметр электродов обычно составляет 0,5 мм. Эти термометры могут быть применены для измерения температур длительно до 1300°С и кратковременно до 1600°С при использовании их в окислительной газовой среде. В этих условиях термопары зарекомендовали себя как очень надёжные.

Хромель-алюминиевый (ХА) термоэлемент выполнен из специально разработанных сплавов хромеля и алюмеля и обладает сравнительно высокой термо-ЭДС и строго линейным характером её изменения в функции от температуры. Он предназначен для длительного измерения температур до 1000°С и кратковременного до 1300°С. В этих пределах он надёжно работает в окислительной атмосфере; образующаяся на его поверхности плёнка окислов защищает внутренние слои от окисления. Это наиболее распространённый термоэлемент.

Для измерения самых высоких температур применяются вольфраморениевые термоэлементы (до 2100 - 2200°С) или термоэлементы, один из электродов которых состоит из чистого графита, а второй – из борида циркония (может работать до 2000°с) или карбида титана (до 2500°С).

Термоэлектроды промышленных термоэлектрических термометров выполняются из проволоки диаметром 2 – 3 мм. Они соединяются в рабочем конце сваркой и изолируются один от другого фарфоровыми бусами или соломкой. Оба термоэлектрода помещаются в фарфоровую защитную трубку с заваренным дном и в жароупорную металлическую арматуру, на конце которой надета штампованная или литая головка

Сопротивление термоэлектродов стандартных термопар из неблагородных металлов составляет 0,13 – 0,18 Ом на 1 м длины, для платинородий-платиновых (диаметром 0,5мм) – 1,5 – 1,6 Ом на 1м. Тепловая инерция стандартных термопар очень велика, причём она определяется в основном фарфоровой защитной трубкой.

 Для того чтобы исключить при измерении температуры термоэлектрическими приборами погрешность от несоответствия сопротивления контура его сопротивлению при градуировке, применяется потенциометрический метод измерения термо-ЭДС. При этом методе термо-ЭДС термоэлемента сравнивается с падением напряжения на участке реохорда R_р (рис.2.4.), питаемого от батареи А, в котором всегда поддерживается вполне определённый заданный ток. При измерении (ключ К включён, переключатель П в положении 2) движок реохорда передвигается до тех пор, пока нуль-прибор НП не покажет отсутствие тока в цепи термоэлемента, что будет соответствовать равенству термо-ЭДС и падения напряжения в левой части реохорда. Так как в момент измерения ток в контуре термоэлемента отсутствует, то сопротивление этого контура и его изменения не могут влиять на результаты измерения. При постоянном токе в реохорде падение напряжения в нём пропорционально его длине, поэтому реохорд можно отградуировать в милливольтах или непосредственно в градусах.

Для проверки тока в компенсационной цепи используется стабилизированный источник напряжения, например нормальный элемент Вестона НЭ (рис.2.4.), ЭДС которого сравнивается с падением напряжения на эталонном резисторе R_н,э, для чего переключатель П становится в положение 1. Так как ЭДС нормального элемента строго постоянна, моменту её равенства падению напряжения на R_н,э соответствует вполне определённый ток компенсационной цепи.

Установка этого тока осуществляется при помощи реостата r. В современных автоматических потенциометрах такая стандартизация тока осуществляется периодически самим прибором.

Так как реохорд и эталонный резистор могут быть выполнены с очень большой точностью, так же как и поддержание неизменным тока в реохорде, то точность измерения в потенциометрах может быть доведена до 0,1%. Технические приборы выпускаются класса точности 0,5.

 

Рис. 2.4. Принципиальная схема потенциометра с постоянным током в компенсационной цепи

 

В тех случаях, когда измерение температуры объекта путем непосредственного контакта с ним датчика невоз­можно из-за слишком высокой температуры, агрессивно­го характера среды или быстрого перемещения объекта, применяют пирометры излучения, основанные на связи между температурой тела и количеством излучаемой им энергии. При этом можно использовать для измерения температуры излучающего тела всю излучаемую им энергию — в этом случае мы будем иметь дело с пирометрами полного излучения, или радиационными. Можно использовать лишь часть спектра излучения, выделив с помощью светофильтра узкий участок монохроматического излучения (пирометры частичного излучения, или оптические). В радиационных пирометрах полное излучение тела направляется с помощью оптической системы на рабочий конец термоэлемента и нагревает последний. Чем выше температура излучающего тела, тем больше его излучение и тем больше, следовательно, температура рабочего конца термоэлемента и его термо-ЭДС. Поэтому такой прибор можно градуировать непосредственно на темпе­ратуру измеряемых тел.

Но так как излучение тела зависит не только от его температуры, но и от его коэффициента теплового излу­чения, разные тела при одной и той же температуре бу­дут посылать на рабочий конец термоэлемента пиромет­ра разное количество энергии. Поэтому градуировку этих пирометров производят по специальной эталонной лампе, имеющей свойства абсолютно черного тела.

   При измерении температуры реальных физических тел пиро­метр будет показывать меньшую против действительной яркостную температуру интегрального излучения. Для большинства нагреваемых в электрических печах изде­лий и материалов, поверхность которых окислена, коэф­фициент теплового излучения ε = 0,9÷0,7, и для них по­грешность измерения составит 2,5—9,0%. В случае нагрева в защитной атмосфере или в вакууме, когда по­верхность тел блестящая и ε достигает 0,4—0,3, погреш­ность равна 25—35%. Значительно более точными по сравнению с радиа­ционными являются оптические пирометры (пирометры частичного излучения). Они работают на принципе срав­ненияяркости свечения измеряемого тела с яркостью свечения нити электрической лампочки, температура ко­торой однозначно связана с проходящим через нее то­ком.

Оптические пирометры, как и радиационные, градуи­руют по излучению абсолютно черного тела. Поэтому при измерении температур реальных тел они показывают более низкую по сравнению с действительной — так на­зываемую яркостную монохроматическую температуру, т. е. температуру абсолютно черного тела, при которой интенсивность монохроматического излучения последне­го равна интенсивности монохроматического излучения реального тела. Однако погрешность от неполноты излу­чения у оптического пирометра меньше, чем у радиацион­ного. Так, при коэффициенте теплового излучения 0,9— 0,7 погрешность в измерении равна 7—25 °С при изме­рении температуры около 1000 °С и 15—50 °С при изме­рении температуры 1500 °С, т. е. достигает 0,7—3,0

Схема оптического пирометра показана на рис. 2.5. Он представляет собой телескоп, в котором изображение нагретого тела проектируется объективом 3 на плоскость вольфрамовой нити специальной лампы накаливания 1; это изображение и нить можно рассматривать через окуляр 4, причем наблюдатель видит на фоне тела либо бо­лее темное, либо более светлое изображение нити. Регу­лируя реостатом 2ток в лампе, можно добиться полного исчезновения средней части нити на фоне измеряемого тела, что соответствует равенству их температур. Вклю­ченный в цепь нити накала лампы миллиамперметр зара­нее градуируется в градусах и, следовательно, показывает температуру нити, поэтому по нему можно прямо прочесть измеряемую яркостную температуру.

В окуляре имеется красный светофильтр 5 с механиз­мом установки 6, обеспечивающий сравнение яркости нити и нагретого тела в лучах с длиною волны 0,65 мкм. Для того чтобы иметь возможность измерять более высокие температуры, используется нейтральный (дымчатый) светофильтр 7, который может быть установлен при помощи механизма 8 между объективом и лампой. Нижняя граница измеряемых температур равна 700°С, наивысшая может быть доведена до -4000°С.

Оптические пирометры в отличие от радиационных требуют наблюдателя и поэтому не могут быть исполь­зованы для автоматического регулирования

На рис. 2.6. показана принципиальная схема яркостного фотопирометра. Световой поток от измеряемого объекта через линзу 1, диафрагму 2 и светофильтр 3 попадает на фотоэлемент 4, включенный в цепь источника постоянного тока. В зависимости от освещенности фото­элемента меняются ток в последнем и напряжение на резисторе 5,  следовательно, и потенциал базы транзистора 6. В результате изменяются ток транзистора и падение напряжения на резисторе 7, которое сравнивается с по­мощью нуль-прибора НП с падением напряжения на рео­хорде 8. Движок последнего показывает температуру.

Фотопирометры используются как для измерения, так и для регистрации и регулирования температур.

 

Рис. 2.5. Оптический пирометр с исчезающей нитью

Рис. 2.6. Принципиальная схема яркостного фотоэлектрического пирометра.