Пирометры (инфракрасные термометры)

Пирометры (инфракрасные (ИК) бесконтактные термометры), выручают там, где применение обычных контактных приборов затруднительно или невозможно.

Принцип действия пирометров базируется на детектировании невидимого инфракрасного излучения, испускаемого всеми предметами. Инфракрасное излучение – это часть электромагнитного спектра, расположенная между видимым светом и радиоволнами. Длина инфракрасных волн обычно измеряется микронами, а весь инфракрасный спектр лежит в пределах 0,7-1000 микрон. В температурных измерениях на практике используется полоса 0,7-14 микрон [13].

Попадающая в термометр энергия складывается из собственного излучения объекта, отраженного и проникающего через объект излучения других предметов. Полезную информацию несет только первая составляющая, а основной задачей ИК-термометрии является ее выделение и компенсация всех побочных эффектов [13].

Количество энергии, излучаемой любым нагретым телом, характеризуется его излучательной способностью – потоком энергии с единичной поверхности тела в единичном диапазоне длин волн. В физике существует идеальная модель радиатора, излучающая максимально возможную энергию – так называемое абсолютно черное тело. Отношение излучательных способностей реального и абсолютно черного тел называется коэффициентом излучения (ε). Для абсолютно черного тела ε=1, а для реальных тел всегда меньше 1. Абсолютно черные тела поглощают и переизлучают всю энергию, падающую на них, поэтому они идеальны для инфракрасных измерений температуры. Излучательная способность абсолютно черного тела подчиняется закону Планка и зависит от температуры и частоты излучения (рис.4.54) [13]. Все реальные тела имеют коэффициент излучения менее 1. Они делятся на серые – тела с ε=const во всем диапазоне волн, и несерые, у которых ε изменяется с длиной волны. Большинство окружающих нас предметов близки по оптическим свойствам к серым телам, их коэффициент в инфракрасном диапазоне колеблется в пределах 0,9-0,95. Такой вид спектра сильно облегчает применение ИК-метода измерения температуры. Противоположностью серых тел с точки зрения оптики являются газы, спектр которых состоит из узких полос, их температуру измерить обычным ИК-термометром невозможно.

 

Рис.4.54. Спектры абсолютно черного, серого и несерого тел

 

Оптика ИК-термометра схожа с используемой в фотографии. Объектив (рис. 4.55) собирает инфракрасное излучение от зоны измерения и фокусирует его на датчике. Задача объектива состоит в том, чтобы в поле зрения датчика попал только исследуемый объект, а результат измерения был изолирован от влияния других предметов [13].

 

 

Рис. 4.55. Пирометр

 

 

ИК-термометры выпускаются с различными видами прицелов:

 

ü Лазерный луч со смещением. Эта простейшая конструкция прицела используется в приборах с низким разрешением (для измерения температуры крупных предметов с небольших расстояний). При таком способе нацеливания есть постоянное смещение между лазерным лучом и центром зоны измерения [13].

ü Коаксиальный лазерный луч. Объектив этих приборов устроен так, что лазерный луч выходит из его центра, что позволяет нацеливать прибор в центр нужной зоны без поправки на любых дистанциях [13].

ü Двойной лазер. Два расходящихся лазерных луча обозначают диаметр зоны измерения на больших расстояниях, что облегчает измерение температуры небольших объектов на больших расстояниях [13].

ü Кросс-лазер. С его помощью можно не только навести термометр на объект, но и обеспечить оптимальное расстояние до объекта, поместив его в фокус объектива. Недостатком кросс-лазерного прицела, как и однолучевого лазера, является неопределенность размера зоны измерения вблизи фокуса [13].

ü Круговой лазер. Несколько лазерных лучей, выходящих из одной точки, располагаются по конической окружности, образуя круговую зону прицеливания. Это простейший способ показать не только местоположение области измерения, но и ее размер и форму [13].

ü Точный круговой лазер (true sport). Это наиболее совершенный лазерный прицел. Источники лазерных лучей расположены вокруг объектива. Наклонные лучи образуют гиперболоид вращения, сечение которого с удалением от объектива сначала уменьшается, а затем возрастает. Минимальное сечение соответствует фокусу объектива прибора. Этот прицел точно обозначает зону измерения на любом расстоянии от объектива термометра (рис.4.56) [13].

 

Рис. 4.56. Тип лазерного прицела true sport ИК-термометров

Пирометр Thermalert GP

 

Thermalert GP - универсальная система для непрерывного измерения температуры, в состав которой входит компактный недорогой монитор и инфракрасный датчик GPR (рис.4.57). При необходимости монитор оснащается релейным модулем для сигнализации по двум точкам, а также обеспечивает питание датчика. Инфракрасные датчики необходимы в таких областях, где контактное измерение температуры повредит поверхность, например, пластиковой пленки или загрязнит продукт, а также измерения температуры двигающихся или труднодоступных объектов.

В пирометрах серии Thermalert GP: параметры монитора и датчика устанавливаются с клавиатуры монитора; обеспечена обработка результатов измерений: фиксация пиковых значений, вычисление средней температуры, компенсация температуры окружающей среды; предусмотрена стандартная или фокусная оптика; диапазоны сигнализации устанавливаются оператором; имеется возможность работы монитора GP с другими инфракрасными пирометрами фирмы Raytek, например, Thermalert CI и Thermalert TX.

Модели пирометров и их технические характеристики представлены в таблице 4.9.

 

 

Рис. 4.57. Пирометр Thermalert GP

 

 

Таблица 4.9. Модели и технические характеристики пирометров

 

Погрешность ±1%, но не меньше ±1°С при температуре (23±5)°С. Воспроизводимость ±0,5%. Коэффициент излучения 0,1...1,09 с шагом 0,01. Время отклика 700 мс GP/GPR; 1 с GP/GPМ. Выходы монитора: аналоговый 4-20 мА; две программируемые точки сигнализации температуры с выходом 5 В или дополнительно через реле 3 А. Температура окружающей среды: 0...50°С - монитор GP; 0...65°С - датчик GPR; 0...177°С - датчик GPR с водяным охлаждением; 0...85°С - датчик GPМ; 0...200°С - датчик GPМ с водяным охлаждением. Пылевлагозащищенность IP65. Питание: 110В/220 В, 50...60 Гц монитор GP; источник постоянного тока 24 В, 50 мА от монитора датчик GPR/GPМ. Габаритные размеры, мм: 96 х 48 х 105 монитор GP; Æ42 мм, L=125 мм датчик GPR; Æ14 мм, L=28 мм датчик GPМ. Масса монитора GP - 0,32 кг.

ПГ «Метран», Челябинск.

 

4.2.3. Интеллектуальные датчики температуры

 

Внедрение АСУ является наиболее прогрессивным направлением в области автоматизации. При большом расстоянии между технологическими аппаратами и щитами управления целесообразно применять электрические средства автоматизации (ЭСА). Химические производства относятся к числу взрывопожароопасных и автоматизация осуществляется на основе использования взрывозащищенных средств автоматизации с использованием контроллеров и ЭВМ.

ЭСА, контроллеры и ЭВМ применяются:

во-первых, для облегчения работы оператора, т.к. за короткий промежуток времени обрабатывается большое количество информации;

во-вторых, выполняют роль «советчика», при котором ЭВМ рекомендует оператору оптимальные знания режимных параметров процесса;

в третьих, сравнивая текущие значения с заданными, выдают сигнал рассогласования на регулятор (на контроллер), а, затем, регулирующее воздействие непосредственно на исполнительный механизм. Кроме того, работая в качестве управляющей системы по заданной программе, контроллеры и ЭВМ характеризуются гибкостью управления, т.е. появляется возможность перенастроить производство за короткое время на выпуск продукции другого качества, тем самым быстро среагировать на рынок.

Температура – важнейший параметр технологических процессов многих отраслей промышленности. Внедрение прогрессивных технологий повышает требования к точности измерений температуры. Одновременно с этим усложнение процессов производства заставляет расширять диапазоны измерений температуры и изыскивать новые методы ее измерений в более сложных производственных условиях. Понятие "новизны в термометрии" Промышленная Группа (ПГ) "Метран" (г. Челябинск) связала с разработкой новых конструкций и применением новых материалов и технологий. Технология изготовления термоэлектрических преобразователей из термопарного кабеля КТМС с применением импульсной лазерной сварки рабочего спая ранее использовалась только на предприятиях атомной энергетики и военной промышленности и была закрыта для широкого использования. В настоящее время кабельные термопреобразователи стали доступны для применения в различных отраслях промышленности и научных исследованиях. Именно на базе термопарного кабеля и лазерной сварки ПГ "Метран" была разработана серия интеллектуальных термопреобразователей ТХА/ТХК Метран-200. В номенклатуру продукции вошли также термопреобразователи сопротивления медные (50М, 100М) и платиновые (50П, 100П, Pt100, Pt500, Pt1000) разных конструкций, с одним и двумя чувствительными элементами. За эти годы освоено производство как самых простых термопар и термометров сопротивления, так и современных микропроцессорных датчиков температуры. Датчики температуры с унифицированными выходными сигналами серии Метран-270, Метран-270МП имеют широкий модельный ряд, включающий общепромышленное, взрывозащищенное (Exia, Exd) исполнения и 15 вариантов защитной арматуры. Применение этой серии датчиков дает возможность построения АСУТП без дополнительных нормирующих преобразователей. Микропроцессорный преобразователь датчиков Метран-270 МП позволяет перенастраивать диапазон измерений и проводить самодиагностику (рис. 4.58).

 

Рис. 4.58. Функциональная схема интеллектуального датчика

 

Блок электроники представляет собой электронную плату, помещенную в герметичный корпус, объединяющую в себе микропроцессор, модуль питания, блок управления ЖКИ дисплеем и ЦАП (рис. 4.58).

Получая данные из аналого-цифрового преобразователя, процессор корректирует их в соответствии с коэффициентами, хранящимися в запоминающем устройстве, и передает их в ЦАП, который преобразует их из цифрового в аналоговый сигнал 4-20 мА.

Микропроцессор (МП) представляет собой конструктивно и функционально законченное устройство обработки цифровой информации, выполненное из одной или нескольких БИС, входящих в состав МПК ИС. В первом случае МП называют однокристальным, во втором – многокристальным или модульным. На основе микропроцессорных комплектов ИС созданы микро-ЭВМ, микропроцессорные управляющие вычислительные комплексы, микропроцессорные программируемые контроллеры (МПК) и др.

Под микро-ЭВМ понимают устройство обработки данных общего назначения, имеющее в своем составе микропроцессор, одно или несколько запоминающих устройств для хранения управляющих программ и средства управления обменом с периферийными устройствами ввода-вывода (УВВ).

Процессор посредством HART протокола может взаимодействовать, как с конфигураторами, так и с различными системами сбора и обработки информации. Все заданные пользователем параметры работы прибора, а также коэффициенты корректировки первичных данных хранятся в запоминающем устройстве.

Сегодня ПГ "Метран" предлагает первые российские интеллектуальные датчики температуры Метран-280 с поддержкой коммуникационного протокола HART, которые позволяют создавать глобальные АСУТП с минимальными затратами.

Микропроцессорная электроника Метран-280 позволяет повысить точность измерений. Одновременно технология HART-протокола позволяет по одной паре проводов передавать и аналоговый (4-20 мА), и цифровой сигналы, что дает возможность использовать уже имеющиеся коммуникации для аналоговых сигналов ПГ.

В Метран-280 реализована возможность выбора единиц измерения: градусы Цельсия (°С); градусы Кельвина (К); градусы Фаренгейта (F); градусы Ренкина (R); Омы; милливольты. Технический персонал предприятия может дистанционно получать необходимую информацию от полевых датчиков Метран-280, осуществлять диагностику и настройку, используя для этого коммуникатор Метран-650 или компьютер с программным обеспечением H-Master разработки ПГ "Метран". Приведенные функции особенно высоко оцениваются потребителями, когда датчики расположены в труднодоступных местах и на больших расстояниях друг от друга. Непрерывная самодиагностика Метран-280 обеспечивает оперативность проведения ремонтных и профилактических работ, т.к. в случае неисправности датчик немедленно выдает сигнал о возникновении внештатной ситуации (сбоя) в конкретном блоке.

 

Интеллектуальные преобразователи температуры

(ИПТ) серии Метран – 280

 

ИПТ Метран-280 предназначены для измерений температуры в составе АСУТП (рис. 4.59-4.60). Использование ИПТ допускается в нейтральных, а также агрессивных средах, по отношению к которым материал защитной арматуры является коррозионностойким. Связь ИПТ Метран-280 с АСУТП осуществляется: по аналоговому каналу - передачей информации об измеряемой температуре в виде постоянного тока (4-20) мА; по цифровому каналу - в соответствии с HART-протоколом в стандарте Bell-202. Для передачи сигнала на расстояние используются 2-х-проводные токовые линии.

Рис. 4.59. Модернизированные

интеллектуальные преобразователи

температуры Метран-281-1, Метран-286-1

Рис. 4.60. Интеллектуальные преобразователи температуры

Метран-281-2, Метран-286-2

Интеллектуальные датчики серии Метран – 280 характеризует: высокая точность, выходной сигнал (4-20) mA /HART, цифровая передача информации по HART протоколу.

 

Конструктивные особенности и принцип действия датчиков

 

Конструктивно ИПТ Метран-280 состоит из первичного преобразователя и электронного преобразователя (ЭП), встроенного в корпус соединительной головки. В качестве первичного термопреобразователя в Метран-281 используются чувствительные элементы из термопарного кабеля КТМС (ХА), в Метран-286 – платиновые резистивные чувствительные элементы. ЭП преобразует сигнал первичного преобразователя температуры в унифицированный выходной сигнал постоянного тока (4-20) мА с наложенным на него цифровым сигналом HART в стандарте Bell-202.

В зависимости от используемого ЭП преобразователи Метран-280 подразделяются:

- Метран-280-1 - ЭП с гальванической развязкой (код ЭП 1);

- Метран-280-2 - ЭП без гальванической развязки (код ЭП 2).

Многоточечный режим работы ИПТ Метран-280 не рекомендуется при искроопасности производства. В многоточечном режиме Метран-280 работает только с цифровым выходом. Аналоговый выход автоматически устанавливается в 4 мА и не зависит от значения входной температуры. Информация о температуре считывается по HART протоколу. К одной паре проводов может быть подключено до 15 датчиков. Их количество определяется длиной и параметрами линии, а так же мощностью блока питания датчиков. Каждый датчик в многоточечном режиме имеет свой уникальный адрес от 1 до 15, и обращение к датчику идет по этому адресу. Метран-280 в обычном режиме имеет адрес 0; если ему присваивается адрес от 1 до 15, то датчик автоматически переходит в многоточечный режим и устанавливает выход в 4 мА. Коммуникатор или АСУТП определяет все датчики, подключенные к линии, и может работать с каждым из них.

 

Таблица 4.10. Основные технические характеристики датчиков

 

Тип и исполнение ИПТ	НСХ	Диапазон измеряемых температур, ^0C	Пределы допускаемой основной погрешности, ±^0C
аналогового сигнала	цифрового сигнала
Метран – 281 - Exia Метран – 281 - Exd	K	- 50 ÷ +300 -50 ÷ +1000	2,5	0,5
Метран – 286 - Exia Метран – 286 - Exd	Pt 100	- 50 ÷ +200 - 50 ÷ +500	0,5 0,7	0,4 0,4

 

 

Взрывозащита. Метран – 281 – Ex, могут применяться во взрывоопасных зонах, в которых возможно образование взрывоопасных смесей газов, паров, горючих жидкостей с воздухом категории ΙΙC группы Т6 или Т5.

Маркировка взрывозащиты:

- особовзрывобезопасный уровень с видом взрывозащиты «искробезопасная электрическая цепь ia» - ExiaΙΙCТ6Х, ExiaΙΙCТ5Х;

- взрывобезопасный уровень с видом взрывозащиты «взрывонепроницаемая оболочка d» - ExdΙΙCТ6Х, ExdΙΙCТ5Х.

В каталоге [9] представлен стандартный ряд монтажных длин L (от 60 до 200) мм. В соответствии с ГОСТ 15150 ИПТ могут работать в диапазоне температур окружающего воздуха (-10 ¸ +70) ⁰С. Масса ИПТ (0,5-1,0) кг, срок службы от 3 до 6 лет, гарантия 18 месяцев, поверка 1 раз в год.