8.1.2. Бесконтактные методы и средства измерений. Бесконтактное измерение температуры8.1.2. Бесконтактные методы и средства измеренийБесконтактные (Non-Contact) измерения температуры незаменимы в тех случаях, когда нежелательно, невозможно, сложно, и/или опасно обеспечить механический контакт датчика с объектом измерения. Не так легко определить температуру находящегося в движении объекта, например, быстро движущейся бумажной ленты, или вращающегося барабана бетономешалки, или потока горячего асфальта. Иногда поверхность объекта, температура которого интересует, недоступна и/или небезопасна (например, при оценке перегрева контактного соединения воздушной линии электропередачи или высоковольтного трансформатора). Другая ситуация: объект исследования имеет малые габариты и массу (и, следовательно, малую теплоемкость) и использование контактных термометров привело бы к очень большой методической погрешности (погрешности взаимодействия) за счет значительного количества тепла, отнимаемого датчиком прибора от объекта и, как следствие, недопустимого искажения режима его работы и, естественно, результата измерения. Особенно сильно это проявлялось бы при необходимости исследования достаточно быстрых изменений температуры исследуемого объекта малой массы, например, в случае оценки температуры миниатюрных электронных узлов. Бесконтактные методы и средства измерения температуры являются так называемыми неинвазивными, т.е. не требуют вмешательства в ход технологического процесса, не создают проблем с установкой датчиков, не требуют контакта с объектом исследования, не порождают погрешностей взаимодействия инструмента с объектом и некоторых других неприятностей. Еще один класс задач, где использование бесконтактных методов и средств не только целесообразно, но и неизбежно (так как Не имеет альтернативы) — измерение сверхвысоких температур (например, измерение температуры расплавленных металлов). Возможная верхняя граница контактно измеряемых температур составляет +2000...+2500°С, поэтому измерения более высоких температур производят только бесконтактными методами. Бесконтактные методы измерения реализованы в различных инфракрасных (ИК) средствах измерения (InfraRed Insrumtntal) – термометрах и измерительных преобрзователях, а также в оптических (Optical) термометрах – пирометрах. Инфракрасные измерители обеспечивают измерение температур в широком диапазоне температур: –50...+5000 °С. Оптические термометры (пирометры) принципиально пригодны лишь для измерения очень высоких температур, при которых поверхность объекта уже видимо светится (+600°С и выше). Кроме того, точность и чувствительность измерения оптическими термометрами невысоки. Важными достоинствами ИК-термометров являются широкие диапазоны измеряемых температур, достаточно высокие точность, чувствительность и быстродействие, хорошие эксплуатационные характеристики, сравнительно невысокая стоимость. Однако не так просто реализовать основные преимущества ИК-термометров – для достоверного результата измерения требуются достаточно высокая квалификация пользователя, знание специфики ИК-изме-рений, определенный опыт практических обследований. Оптическое излучение. Любое тело, обладающее температурой выше абсолютного нуля (– 273 °С), имеет тепловое излучение. С ростом температуры увеличиваются амплитуда и частота колебаний молекул вещества тела. Человек своими органами чувств воспринимает тепло (осязанием) и свет (зрением). Физическая природа колебаний одна и та же (тепловая), но частота колебаний различна и зависит от конкретной степени нагретости объектов. При температуре 600... 1000 °С и выше (в зависимости от материала объекта) некоторое количество энергии тела излучается в видимой глазом части спектра. В физике используется понятие «оптическое излучение», соответствующее электромагнитному излучению с длинами волн X, расположенными в диапазоне 1 нм... 1 мм. Этот диапазон делится на три части. Диапазон длин волн λ ультрафиолетового излучения составляет 1,0 нм...0,38 мкм. Диапазон длин волн λ видимого излучения – 0,38...0,76 мкм. Диапазон длин волн λ ИК-излучения – 0,76... 1000 мкм. Устройство ИК-термометра. Методы и приборы бесконтактного ИК-измерения основаны на количественной оценке инфракрасного (теплового) излучения объекта. Тепловое излучение обладает практически теми же свойствами, что и видимый человеком свет: распространяется прямолинейно, способно отражаться, преломляться, проникать сквозь некоторые тела, может быть сфокусировано оптической системой линз (не обязательно прозрачных) и т. п. На рис. 8.12 показана упрощенная структура ИК-термометра.
Рис. 8.12. Упрощенная структура ИК-термометра: 1 – объект; 2 – объектив; 3 – приемник Тепловое излучение поверхности объекта объективом прибора фокусируется на приемник, в роли которого часто выступает термопара. ТермоЭДС термопары усиливается усилителем Ус, преобразуется аналого-цифровым преобразователем АЦП в цифровой код, который некоторое время хранится в запоминающем регистре Рг и представляется на индикаторе результатом измерения. Объектив ИК-измерителя одновременно выполняет функцию полосового фильтра частот. Инфракрасный измеритель может также содержать узлы связи (аналоговой или цифровой) с внешними устройствами. На рис. 8.12 показаны аналоговый АВ и цифровой ЦВ выходы. Наличие у ИК-термометра выхода аналогового сигнала, пропорционального текущему значению измеряемой температуры, позволяет подключить прибор к внешнему аналоговому самопишущему прибору или к цифровому измерительному регистратору. Для задач длительного мониторинга применяются также ИК измерительные преобразователи. Эти устройства не имеют индикатора, их выходной аналоговый сигнал представлен пропорциональным измеряемой температуре током или напряжением. Они предназначены для работы совместно с показывающими приборами или регистраторами в составе измерительных установок, комплексов или систем. Специфика применения ИК-измерителей. При бесконтактных измерениях температуры с помощью ИК-термометров или преобразователей необходимо иметь в виду некоторые важные особенности. Поскольку количество излучаемой объектом энергии зависит не только от температуры, но также и от качества поверхности тела, то для обеспечения достоверных результатов необходимо знать (или заранее экспериментально определить) значение коэффициента излучения (Emission) поверхности конкретного объекта ε. Абсолютно черное тело (ε = 1) гораздо лучше «отдает» теплоту, чем объект с блестящей гладкой поверхностью. Перед началом измерения необходимо ввести в прибор значение поправки, соответствующей свойствам материала поверхности объекта, и тогда прибор автоматически будет корректировать показания, компенсируя недостаточную излучающую способность исследуемой поверхности. Такие поправки (так называемые поправки на «неполную черноту») обычно приводятся в Инструкции по эксплуатации или в паспорте ИК-прибора. Если материал поверхности конкретного исследуемого объекта не описан в таблице поправок (коэффициентов излучения ε) прибора, то можно оценить значение необходимой поправки экспериментально, например следующим образом. В тех случаях, когда это возможно, нужно измерить температуру исследуемой поверхности контактным термометром. Затем, перебирая разные значения поправки ИК-термометра, следует добиться одинаковых показаний обоих приборов. Инфракрасные термометры не рекомендуется использовать при исследовании блестящих, полированных поверхностей, неокисленных металлов типа хрома, алюминия, нержавеющей стали, латуни и т. п. Если исследуемая поверхность обладает малой излучающей способностью, целесообразно покрыть ее тонким слоем матовой черной краски или сажи. Это не повлияет на фактическую температуру поверхности, однако позволит повысить достоверность результатов, так как увеличит излучающую способность до ε = 0,9...0,96. Следует помнить, что значение коэффициента излучательной способности зависит не только от качества поверхности, но и от температуры объекта. studfiles.net ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ БЕСКОНТАКТНЫМ МЕТОДОМ Обратная связь ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ Сила воли ведет к действию, а позитивные действия формируют позитивное отношение Как определить диапазон голоса - ваш вокал Как цель узнает о ваших желаниях прежде, чем вы начнете действовать. Как компании прогнозируют привычки и манипулируют ими Целительная привычка Как самому избавиться от обидчивости Противоречивые взгляды на качества, присущие мужчинам Тренинг уверенности в себе Вкуснейший "Салат из свеклы с чесноком" Натюрморт и его изобразительные возможности Применение, как принимать мумие? Мумие для волос, лица, при переломах, при кровотечении и т.д. Как научиться брать на себя ответственность Зачем нужны границы в отношениях с детьми? Световозвращающие элементы на детской одежде Как победить свой возраст? Восемь уникальных способов, которые помогут достичь долголетия Как слышать голос Бога Классификация ожирения по ИМТ (ВОЗ) Глава 3. Завет мужчины с женщиной
Оси и плоскости тела человека - Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.
Лабораторная работа №4
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучение основных характеристик, конструкций и возможностей приборов для контроля температуры бесконтактным методом ( 2 ч ).
2. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
О температуре объекта можно судить на основании интенсивности его теплового и светового излучения. Приборы для определения температуры, действие которых основано на измерении теплового и светового излучения нагретых тел, называют пирометрами излучения. Они позволяют контролировать температуру от 100 до 60000С и выше. Пирометры излучения относятся к бесконтактным приборам. Одним из главных достоинств данных устройств является отсутствие влияния измерителя на температурное поле объекта, так как в процессе измерения они не вступают в непосредственный контакт друг с другом. Лучистая энергия выделяется нагретым телом в виде электромагнитных волн различной длины. При температурах до 5000С нагретое тело излучает инфракрасные лучи, не воспринимаемые человеческим глазом. По мере повышения температуры цвет тела от темно-красного доходит до белого, содержащего волны всех воспринимаемых глазом длин. Одновременно с повышением температуры тела и изменением его цвета возрастает интенсивность монохроматического излучения (яркость), т.е. энергия излучения при определенной длине волны, а также увеличивается суммарная энергия излучения. Монохроматическое и суммарное (полное) излучения используются для измерения температуры нагретых тел и в соответствии с этим пирометры излучения делятся на пирометры частичного и полного излучения (радиационные). Интенсивность монохроматического и суммарного излучений, кроме температуры, зависит от физических свойств веществ. Поэтому шкалы приборов, работающих в комплекте с пирометрами, градуируются по излучению абсолютно черного тела, степень черноты которого постоянна и равна единице (e0=1). Реальные физические тела излучают энергию менее интенсивно, чем абсолютно черные, т.к. у них 0<e<1. В связи с этим пирометры излучения показывают так называемую кажущуюся температуру, т.е. показания пирометров обычно занижены относительно действительной температуры контролируемого тела. Следовательно, требуется введение соответствующих поправок на степень черноты реального тела.
2.1.Пирометры полного излучения (радиационные)
Радиационный метод измерения температуры основан на зависимости интенсивности полного излучения от температуры тела. Для абсолютно черного тела зависимость количества излучаемой энергии Е0 от температуры характеризуется законом Стефана-Больцмана Е0=s0Т4, где s0-постоянная, равная 20,78×10-8 Дж/м2×ч. При градуировке пирометра по модели абсолютно черного тела устанавливается однозначная зависимость его показаний от температуры излучателя. При измерении температуры реальных тел, имеющих суммарный коэффициент излучения, отличный от единицы, действительную температуру объекта можно определить с достаточной точностью по формуле:
где Т- действительная температура объекта, К; Тр- радиационная температура (показания пирометра), К; e- суммарный коэффициент черноты объекта. Преобразователь пирометрический полного излучения ППТ-121 предназначен для бесконтактного измерения и контроля радиационной температуры поверхностей от 100 до 25000С. Работает преобразователь в комплекте со вторичным измерительным преобразователем ПВВ-0 и вторичным показывающим прибором, в качестве которого используется милливольтметр или потенциометр. Преобразователь (рис.1) состоит из двух основных узлов - объектива и приемного устройства. Объектив предназначен для передачи энергии излучения от объекта измерения в устройство приемное. Объектив собран на кронштейне 1 и состоит из объективной линзы 2, полевой диафрагмы 3,апертурной диафрагмы 4 и конденсора 5.
Рис.1. Принципиальная схема пирометра полного излучения
Объективная линза 2 служит для получения изображения объекта в плоскости полевой диафрагмы 3, предназначенной для получения заданного показателя визирования. Конденсор 5 предназначен для передачи изображения от полевой диафрагмы в плоскость приемного элемента и состоит из двух одинаковых линз 6. Устройство приемное, служащее для преобразования энергии излучения в электрический сигнал (термо-э.д.с.), состоит из приемного элемента 8 и медного шунта. Приемный элемент 8 представляет собой десятиспайную термобатарею из хромель-копелевых фольговых термоэлектрических преобразователей. Пирометр градуируют при температуре свободных концов термобатареи 20±50С. Для компенсации погрешности, возникающей при отклонении температуры свободных концов от градуировочной, используют шунт, выполненный в виде катушки из медного провода, имеющего большой температурный коэффициент сопротивления. Термобатарея имеет некоторый разброс чувствительности, поэтому для получения стандартной градуировки предусмотрена апертурная диафрагма 4, перемещением которой осуществляется подгонка градуировочной характеристики. Наружная труба 9 одевается на объектив с кронштейном и закрепляется крышкой с защитным стеклом 7. Стекло служит для защиты объектива от загрязнения. Подключение преобразователя в измерительную схему производится при помощи разъема 10. Достоинства пирометров полного излучения: независимость показаний от освещенности объекта измерения посторонними источниками; возможность дистанционной передачи показаний. Недостатки: невозможность измерения истинной температуры; трудность измерения на больших расстояниях; влияние атмосферы между источником излучения и пирометром; сравнительно большая температурная погрешность.
2.2 . Пирометры частичного излучения
В пирометрах частичного излучения используется зависимость между интенсивностью монохроматического излучения абсолютно черного тела и его температурой, выражаемая законом Планка:
где l- длина волны, м; С1, С2- постоянные, Т- абсолютная температура. К пирометрам частичного излучения относятся оптические (квазимонохроматические), фотоэлектрические и цветовые (спектрального отношения) пирометры.
2.2.1.Оптические (квазимонохроматические) пирометры
Принцип действия квазимонохроматических пирометров основан на сравнении яркости монохроматического излучения двух тел: эталонного и объекта излучения. В качестве эталонного тела обычно используют нить лампы накаливания, яркость излучения которой регулируют. Наиболее распространенным прибором этой группы является квазимонохроматический (оптический) пирометр с исчезающей нитью. Упрощенная схема квазимонохроматического пирометра приведена на рис. 2. Пирометр представляет телескопическую трубу с линзой 1 объектива и линзой 4 окуляра. Внутри телескопической трубки в фокусе линзы объектива находится лампа накаливания 3 с подковообразной нитью. Лампа питается от источника тока 7 через реостат 8. В цепь питания лампы включен гальванометр 6, шкала которого отградуирована в градусах температуры. Для получения монохроматического света окуляр снабжен красным светофильтром 5, пропускающим только лучи определенной длины волны. В объективе находится серый поглощающий светофильтр 2, служащий для расширения пределов измерения.
Рис.2. Принципиальная схема квазимонохроматического пирометра
Объектив и окуляр прибора могут перемещаться вдоль оси в телескопической трубке, что позволяет получить четкое изображение раскаленного тела и нити лампы. При подготовке оптической системы к измерению трубку наводят на тело и передвигают объектив до получения четкого изображения тела и нити лампы. Включив источник тока, реостатом регулируют яркость нити до тех пор, пока средняя часть ее не сольется с освещенным телом. В этот момент по шкале милливольтметра отсчитывают температуру тела. Для правильной и длительной работы лампы необходимо, чтобы температура нити не превышала 14000С. Предел измерения повышают введением серого светофильтра, который в одинаковой степени поглощает энергию волн всех длин. Стекло серого светофильтра выбирают такой оптической плотности, чтобы при яркостной температуре излучателя выше 14000С нить лампы накаливания не нагревалась выше этой температуры. Визуальный пирометр «Проминь М» выполнен в виде малогабаритного переносного прибора. В пирометре применена схема преобразования напряжения, снимаемого с цифроаналогового преобразователя (ЦАП) в ток накала нити пирометрической лампы. Структурная схема пирометра «Проминь М» приведена на рис.3.
Рис.3. Структурная схема квазимонохроматического пирометра «Проминь М»: БП- блок питания; ПН- преобразователь напряжения; ЦАП- цифро-аналоговый преобразователь; БУ- блок управления; ПИ- плата индикации; S2,S5- выключатели; S3,S4- кнопки управления.
Питание пирометра осуществляется от встроенного источника постоянного тока, представляющего собой батарею аккумуляторов БП. Включение пирометра осуществляется переключателем S5. Уравнивание яркостей (фотометрирование) производится включением кнопок управления S3 («вперед») или S4 («назад»), которые обеспечивают медленное изменение яркости нити лампы. Для ускоренного изменения яркости нити лампы служит переключатель S2. Значение измеряемой температуры высвечивается на плате индикации ПИ. Помимо температуры индикатор показывает разряд аккумуляторной батареи. Пирометр имеет два исполнения. Диапазон измеряемых температур для пирометра исполнения I от 800 до 20000С; для пирометра исполнения II- от 1800 до 40000С. Достоинства данного типа пирометров: возможность измерения на значительном расстоянии; нечувствительность к изменениям окружающей среды; независимость точности измерения от расстояния до объекта измерения. Недостатки: обязательное участие наблюдателя в измерении; невозможность дистанционной передачи показаний; влияние загрязнения атмосферы между источником излучения и пирометром.
2.2.2. Пирометры спектрального отношения
Принцип действия этих пирометров основан на измерении отношения интенсивностей излучений исследуемого объекта в двух участках спектра, что однозначно определяет его цветовую температуру. Преимуществом этого метода измерения температуры по сравнению с другими является то, что результат измерения не зависит от излучательной способности тела, если оно одинаково для различных длин волн, что характерно для большинства физических объектов. Пирометр спектрального отношения «Спектропир 10» состоит из преобразователя пирометрического первичного ПСМ-151 и устройства преобразования УП. Функциональная схема пирометра приведена на рис. 4. Излучение от объекта собирается системой первичного преобразователя ПСМ и модулируется модулятором светового потока МЗ-ОГ. Затем световой поток разделяется светоделительным устройством на два потока, различных по своему спектральному составу, которые, попадая на приемники излучения, вызывают появление на их выходе электрических сигналов переменного тока, пропорциональных интенсивностям излучений объекта в соответствующих участках спектра излучения. Сигналы приемников усиливаются усилителями, расположенными в ПСМ, и поступают на вход вычислительного устройства, где преобразуются в сигнал постоянного тока, пропорциональный цветовой температуре.
Рис.4. Функциональная схема пирометра спектрального отношения «Спектропир 10»
Вычислительное устройство кроме преобразования сигналов, поступающих от ПСМ, сигнализирует об отклонении от заданного уровня яркости и температуры корпуса ПСМ. Выходной сигнал с вычислительного устройства поступает на вход блока унифицированных сигналов, который предназначен для преобразования поступающих сигналов и получения линеаризованных гальванически развязанных непрерывных электрических сигналов. Унифицированные сигналы подаются на вход измерительного прибора, шкала которого градуирована в 0С. В качестве вторичного прибора может быть использован милливольтметр или потенциометр.
2.3. Зарубежные аналоги пирометров излучения
Американской фирмой MIKRON выпускаются как переносные пирометры (серии М100, М7, М90), предназначенные для бесконтактного, быстрого измерения температуры в труднодоступных и опасных местах: расплавов металлов, стекла, контактных соединений электрооборудования, подшипников и т.д.; так и стационарные пирометры, способные заменить контактные термопары при контроле и управлении различными технологическими процессами. Переносные квазимонохроматические пирометры имеют следующие характеристики: · серии М100, М7: - диапазоны измеряемых температур от -500С до 9000С; - наведение на цель с помощью лазера; - возможность вычисления среднего значения температуры с фиксацией минимального и максимального, память до 70 значений; - звуковые сигнализаторы превышения установленных минимального и максимального значений температуры; - минимальный диаметр измеряемого объекта 2 мм. · серии М90: - точное нацеливание на объект через объектив с фокусировкой; - погрешность измерений до 0,25%; - диапазоны измеряемых температур от -500С до 35000С; - 10 различных диапазонов спектральной чувствительности, двухспектральные приборы; - отображение температурных показаний в видоискателе и смотровом окне на задней панели; - встроенное устройство регистрации данных; - минимальный диаметр измеряемого пятна 1,0 мм; - аналоговый и цифровой выходы. Стационарные пирометры фирмы MIKRON (более 100 моделей датчиков и приборов) совместимы с любыми контроллерами или самописцами, имеют диапазоны измеряемых температур от -500С до 40000С. Волоконно-оптические кабели позволяют работать при температуре окружающей среды до 5400С. Тугоплавкие насадки специальных датчиков долговременно выдерживают температуру до 30000С. Показания пирометров не зависят от электромагнитных полей и коэффициента излучения объекта. Приборы серии М77 охватывают диапазон температур от 250 до 35000С и являются идеальными для применения в сталеплавильном производстве, индукционном нагревании, обжиговых печах, производстве керамических изделий, полупроводников и т.п. Приборы серии М78 представляют собой волоконно-оптическую версию М77. Приборы серии М190 применяются для краткосрочного или постоянного мониторинга в лабораторных или заводских условиях. Они характеризуются: погрешностью 0,2%, разрешением 0,10С и могут быть использованы автономно или в соединении с аналоговыми контроллерами через линейный выход 4-20мА или с устройством сбора цифровых данных через RS422 или RS232С. Недорогой, надежный и миниатюрный датчик серии М500 с модулем усилителя преобразует инфракрасное излучение в линейный сигнал мВ/град. или 4-20 мА. Имеет в наличии защитный охлаждающий чехол и смотровую трубку с продувкой воздуха для защиты датчика в тяжелых заводских условиях. Высокоточные приборы серии М680 отождествляют собой основные достижения в технологии измерения температуры по инфракрасному излучению бесконтактным методом. Это идеальный инструмент для различных сфер применения, где требуется точное измерение температуры сразу в нескольких местах. Прибор работает в широком диапазоне температур от 1500С до 40000С и обладает следующими характеристиками: - автоматическая калибровка при замене волоконно-оптических кабелей; - измерение температуры отражающей поверхности с низким коэффициентом излучения; - быстрое реагирование, высокая скорость измерений; - дисплей на передней панели с отображением показаний температуры и коэффициента излучения на каждом канале; - двунаправленный компьютерный канал передачи данных RS232.
Полный конструктивный ряд инфракрасных термоизмерительных систем выпускает фирма Raytek. Ручные переносные пирометры серии Raynger сконструированы для приложений, в которых требуются высокие точность и оптическое разрешение. Прибор запоминает до 100 точек и не требует дополнительных периферийных устройств. Данные могут выводиться через порт RS232 или 1 мВ/0С прямо на портативный принтер. У всех моделей есть выходной разъем для работы с аналоговыми выходными сигналами. В дополнение к работе в реальном масштабе времени и отображении текущего значения температуры на дисплее, пирометр вычисляет максимальную, минимальную, среднюю температуры и их разность по серии измерений. Предусмотрена возможность настройки коэффициента излучательной способности объекта, что обеспечивает точность измерений. Прибор компенсирует отраженную энергию фона, т.е. фон не влияет на точность измерений. Подсветка дисплея позволяет работать в неблагоприятных условиях. Запирающий триггер позволяет проводить работу без присутствия оператора. Сигнализация по верхнему и нижнему пределам температуры, задаваемым оператором, позволяет контролировать тепловой режим. Для непрерывного измерения температуры фирма Raytek выпускает пирометры серии Thermalert. Приборы серии Thermalert сочетают одновременно высокое качество бесконтактного измерения температуры с промышленным стандартом двухпроводного подключения. Пирометры имеют диапазон измерений от -18 до 20000С. Интеллектуальные датчики имеют цифровую связь с выходным сигналом 4-20мА, что позволяет дистанционно устанавливать параметры и контролировать температуру процесса. На одной многоканальной сети может быть установлено до 15 датчиков. Оптический или лазерный прицел облегчает наведение на область измерения. Программное обеспечение DataTemp TX Windows позволяет устанавливать параметры и производить непрерывное измерение температуры процесса. Информация может архивироваться и экспортироваться в другие программы для анализа и документирования. Для работы в жестких производственных условиях фирмой Raytek сконструированы термометры серии Marathon. Серия включает - "одноцветный" инфракрасный пирометр; - пирометр спектрального отношения; - оптоволоконный инфракрасный термометр; - программное обеспечение для контроля и установки параметров; - термокожух и монтажное оборудование; - программное обеспечение для перекалибровки и настройки. Эти термометры обеспечивают измерение температур в диапазоне от 250 до 30000С. "Двухцветные" пирометры используются там, где объект мал, движется или атмосфера загрязнена пылью, дымом и другими частицами. Оптоволоконные термометры позволяют измерять температуру труднодоступных из-за монтажного пространства объектов в жестких условиях окружающей среды. Термометры серии Marathon применяют в таких производственных процессах, как: - непрерывное литье; - термообработка и отжиг; - обработка металлов давлением; - производство полупроводников; - обжиг цемента и извести и др.
3. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА
3.1. Порядок выполнения работы
Измерить температуру в печи с помощью пирометра полного излучения и эталонного прибора- термоэлектрического преобразователя. Вычислить погрешность измерения. 1. Включить источник нагревания печи и питания стенда. 2. Следить за температурой в печи с помощью эталонного прибора- термоэлектрического преобразователя типа ТХА и вторичного прибора КСП. 3. При температурах, заданных преподавателем, снять показания пирометра и занести в табл.1.
3.2. Обработка результатов эксперимента
1. Вычислить истинные значения температуры по формуле:
где Т- действительная температура объекта, К; Тр- радиационная температура (показания пирометра), К; e =0,68 - суммарный коэффициент черноты объекта. 2. Сравнить температуры, измеренные с помощью пирометра и термоэлектрического преобразователя, вычислить абсолютную, относительную и приведенную погрешности измерений. Результаты вычислений занести в табл.1.
Таблица 1
Абсолютная погрешность D- это разность между измеренным и истинным значением измеряемой величины. Относительную погрешность определяют по формуле:
где х - измеренное значение величины. Приведенную погрешность определяют по формуле:
где хп– нормирующее значение, в качестве которого принимают верхний предел шкалы или диапазон измерений прибора.
3.3. Требования к отчету по лабораторной работе
Отчет должен содержать: - цель работы; - краткое описание теоретического материала; - протокол работы в форме таблицы; - обработку результатов измерений; - выводы по результатам исследований.
4. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. На чем основан бесконтактный метод измерения температуры? 2. Классификация пирометров по принципу действия. 3. Принцип действия и устройство пирометра полного излучения. 4. Устройство и принцип действия квазимонохроматического пирометра. 5. Принцип действия пирометра спектрального отношения, его функциональная схема. 6.Дать сравнительную характеристику методов измерения температуры. 7.Достоинства и недостатки бесконтактного метода измерения температуры.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кулаков М.В. Технологические измерения и приборы для химических производств: Учебник- М.: Машиностроение, 1983-423с. 2. Контроль и автоматизация металлургических процессов: Учебник для вузов. Глинков Г.М., Косырев А.И., Шевцов Е.К. М., Металлургия, 1989-352с.
Составил Астахова Т.В. Корректирование для спец. 110600-МО Кузьменко Т.К. Зав. Кафедрой Лапаев И.И.
megapredmet.ru Бесконтактные методы измерения температуры — КиберПедияБесконтактные измерения температуры незаменимы в тех случаях, когда нежелательно, невозможно, сложно или опасно обеспечить механический контакт датчика с объектом измерения [1]. Не так легко определить температуру находящегося в движении объекта, например быстродвижущейся бумажной ленты, или вращающегося барабана бетономешалки, или потока горячего асфальта. Иногда поверхность объекта, температура которого интересует, недоступна или небезопасна (например, при оценке перегрева контактного соединения воздушной линии электропередачи или высоковольтного трансформатора). Другая ситуация: объект исследования имеет малые габаритные размеры и массу (следовательно, малую теплоемкость) и использование контактных термометров привело бы к очень большой методической погрешности (погрешности взаимодействия) за счет значительного количества тепла, отнимаемого датчиком прибора от объекта и, как следствие, недопустимого искажения режима его работы и, естественно, результата измерения. Особенно сильно это проявлялось бы при необходимости исследования достаточно быстрых изменений температуры исследуемого объекта малой массы, например в случае оценки температуры миниатюрных электронных узлов. Бесконтактные методы и средства измерений температуры являются так называемыми неинвазивными, т. е. не требуют вмешательства в ход технологического процесса, не создают проблем с установкой датчиков, не требуют контакта с объектом исследования, не порождают погрешностей взаимодействия инструмента с объектом и некоторых других неприятностей. Еще один класс задач, где использование бесконтактных методов и средств не только целесообразно, но и неизбежно (так как не имеет альтернативы) − измерение сверхвысоких температур (например, измерение температуры расплавленных металлов). Возможная верхняя граница контактно-измеряемых температур составляет 2 000... 2 500 град.С, поэтому измерения более высоких температур производят только бесконтактными методами. Бесконтактные методы измерения реализованы в различных инфракрасных (ИК) средствах измерения (InfraRed Instrumentation) − термометрах и измерительных преобразователях, а также в оптических термометрах − пирометрах. Инфракрасные измерители обеспечивают измерение температур в широком диапазоне температур (50...5000°С). Оптические термометры (пирометры) принципиально пригодны лишь для измерения очень высоких температур, при которых поверхность объекта уже, видимо, светится (600 °С и выше). Кроме того, точность и чувствительность измерения оптическими термометрами невысоки. Важными достоинствами ИК-термометров являются широкие диапазоны измеряемых температур, достаточно высокие точность, чувствительность и быстродействие, хорошие эксплутационные характеристики, сравнительно невысокая стоимость. Однако не так просто реализовать основные преимущества ИК-термометров. Для достоверного результата измерения требуются достаточно высокая квалификация пользователя, знание специфики ИК-измерений, определенный опыт практических обследований [5]. Любое тело, обладающее температурой выше абсолютного нуля (-273 °С), имеет тепловое излучение. С ростом температуры увеличиваются амплитуда и частота колебаний молекул вещества тела. Человек своими органами чувств (осязанием) воспринимает тепло и свет (зрением). Физическая природа колебаний одна и та же (тепловая), но частота колебаний различна и зависит от конкретной степени нагретости объектов. При температуре 600... 1 000 град.С и выше (в зависимости от материала объекта) некоторое количество энергии тела излучается в видимой глазом части спектра. В физике используется понятие «оптическое излучение», соответствующее электромагнитному излучению с длинами волн X, расположенными в диапазоне 1 нм... 1 мм. Этот диапазон делится на три части. Рисунок 23 иллюстрирует соотношение поддиапазонов ИК-излучения, видимого (В), ультрафиолетового (УФ) и соседних излучений. Верхняя ось абсцисс показывает значения частот F, нижняя − соответствующие частотам значения длин волн λ (в логарифмическом масштабе). Диапазон длин волн X ультрафиолетового излучения составляет 1,0 нм... 0,38 мкм. Диапазон длин волн X видимого излучения − 0,38...0,76 мкм. Диапазон длин воли X ИК-излучения − 0,76... 1000 мкм.
10-1 10-2 10-4 10-6 10-8 10-10 10-12 10-14Рисунок 23. − Диапазоны частот F и длин волн λ различных излучений
Устройство ИК-термометра
Методы и приборы бесконтактного ИК-измерения основаны на количественной оценке инфракрасного (теплового) излучения объекта. Тепловое излучение обладает практически теми же свойствами, что и видимый человеком свет: распространяется прямолинейно, способно отражаться, преломляться, проникать сквозь некоторые тела, может быть сфокусировано оптической системой линз (не обязательно прозрачных) и т.д. На рисунке 24 показана упрощенная структура ИК-термометра. 1 − объект; 2 − объектив; 3 − приемник Рисунок 24 − Упрощенная структура ИК-термометра Тепловое излучение поверхности объекта объективом прибора фокусируется на приемник, в качестве которого часто выступает термопара. ТермоЭДС термопары усиливается усилителем (Ус), преобразуется аналого-цифровым преобразователем (АЦП) в цифровой код, которым некоторое время хранится в запоминающем регистре (Рг) и представляется на индикаторе результатом измерения. Объектив ИК измерителя одновременно выполняет функцию полосового фильтра частот. Инфракрасный измеритель может также содержать узлы связи (аналоговой или цифровой) с внешними устройствами. На рисунке 24 показаны аналоговый (АВ) и цифровой (ЦВ) выходы. Наличие у ИК-термометра выхода аналогового сигнала, пропорционального текущему значению измеряемой температуры, позволяет подключить прибор к внешнему аналоговому самопишущему прибору или к цифровому измерительному регистратору. Для задач длительного мониторинга применяются также инфракрасные измерительные преобразователи. Эти устройства не имеют индикатора, их выходной аналоговый сигнал представлен то ком (например, 4...20 мА), пропорциональным измеряемой температуре, или напряжением (например, 0...5 В). Они предназначены для работы совместно с показывающими приборами или с регистраторами в составе измерительных установок, комплексе и или систем. Оптические средства измерений температуры по воспринимаемому излучению носят название пирометров. Пирометры делятся на: − цветовые (основанные на измерении отношения интенсивностей излучения). − радиационные (воспринимающие полную энергию излучения), − яркостные (воспринимающие энергию излучения в какой-либо узкой части спектра). Цветовой пирометр Схема автоматического цветового пирометра представлена на рисунке 25, а, а на рисунке 25, б приведена его блок-схема сигналов. Излучение объекта 1 фокусируется линзой 2 и передается на модулятор – колеблющееся зеркало 3 с электромагнитным вибратором 4. Отраженное от зеркала излучение передается поочередно через красный (7) и зеленый (6) светофильтры на фотоприемник 10. В начале шкалы интенсивности красного и зеленого участков спектра одинаковы, и поэтому фотоприемник при сканировании излучением фильтров выдает равные напряжения. С ростом температуры объекта интенсивность зеленого излучения возрастает, что вызывает соответствующее увеличение выходного тока усилителя 9. Увеличение тока, в свою очередь, вызывает увеличение амплитуды колебаний зеркала относительно зеленого светофильтра. При этом возрастает поглощение зеленого излучения оптическим клином 8 до выравнивания интенсивностей излучения обоих цветов на входе фотоприемника. Отклонение выходного тока усилителя является мерой искомой температуры объекта. Пирометры такого типа позволяют измерять температуры, превышающие 700°С [1]. cyberpedia.su Бесконтактные средства измерения температуры - Энергетика и промышленность России - № 5 (45) май 2004 года - WWW.EPRUSSIA.RUГазета "Энергетика и промышленность России" | № 5 (45) май 2004 года В настоящее время наряду с контактными средствами измерения все более широкое применение в промышленности находят средства бесконтактного измерения температуры - пирометры и тепловизоры.Пирометр - это средство измерения температуры по тепловому излучению объекта, предназначенное для отображения значения температуры на индикаторе прибора или преобразования в аналоговый или цифровой сигнал. Пирометры способны измерять температуру круговой зоны, ограниченной полем зрения прибора и усредняют температуру в пределах данной зоны. Зона видимости пирометра зависит от расстояния до объекта и от оптического разрешения пирометра, таким образом варьируя эти два параметра, с помощью пирометра можно измерять как температуру тонкой проволоки, так и среднюю температуру поверхности кузова автомобиля перед покраской. Тепловизор - это средство измерения температуры по тепловому излучению объекта, предназначенное для определения значения температуры и преобразования её в визуальную картину распределения тепловых полей по поверхности объекта. Тепловизор позволяет получить обобщенную информацию - тепловую картину некоторой области и конкретное значение температуры интересуемого объекта, размер которого равен или больше размера элементарной ячейки поля зрения тепловизора. С 2000 года для тех приложений, где применение контактных датчиков температуры серии Метран-200 затруднительно или невозможно, ПГ «Метран» предлагает бесконтактные средства измерения температуры производства фирмы Raytek (Германия). Компания Raytek, одна из ведущих фирм мира, специализирующихся на разработке и изготовлении приборов для бесконтактного измерения температуры. В будущем ПГ «Метран» планируется совместное с компанией Raytek производство бесконтактных средств измерения температуры на собственной производственной базе. Применение бесконтактных средств измерений позволяет производить измерения температуры движущихся объектов; объектов, расположенных в труднодоступных местах; избегать повреждений средства измерения при контроле высоких температур; предотвращать возможные загрязнения и повреждения измеряемого объекта, при измерении температуры объекта, целостность или стерильность которого нельзя нарушать. В случае, когда необходимо измерить температуру микроскопических объектов, теплоемкость которых мала, бесконтакный способ измерения позволяет избежать искажений температуры объекта, вносимых контактным средством. Неоспоримыми преимуществами бесконтактных средств измерения температуры перед контактными являются следующие: • высокое быстродействие (до 1 мс) - необходимо в случае измерения температуры быстропротекающих процессов; • возможность измерения температуры объекта без его отключения от технологического процесса - обнаружение точек перегрева, которые возникают только во время работы объекта; • обеспечение безопасности персонала, проводящего измерение температуры объектов, находящихся под напряжением, так как работы производятся на расстоянии и не требуют отключения электроэнергии. Существует ряд технологических процессов, когда применение контактных датчиков невозможно, в таких случаях применение пирометров - это единственно возможный способ контроля температуры. В случае, когда, например, необходимо замерить температуру от 1800 °С до 3000 °С, контактные средства измерения применить невозможно, но бесконтактные приборы легко решают эту задачу. Функциональные возможности пирометров позволяют, кроме текущего значения температуры, фиксировать максимальную, минимальную температуру объекта, их разницу, а также среднюю температуру за промежуток времени. Наличие цифрового интерфейса у пирометров (RS-232, RS-485, Hart-протокол) позволяет перенастраивать прибор и контролировать значение измеряемой температуры непосредственно с персонального компьютера. Специальное программное обеспечение пирометров позволяет создавать отчеты в виде графиков и формировать базы данных. Пирометры и тепловизоры имеют перед контактными датчиками температуры, как ряд преимуществ, так и некоторые недостатки - зависимость показаний от расстояния до измеряемого объекта, от отражательных свойств измеряемой поверхности, от излучения прямо не попадающих в поле зрения пирометра областей измеряемого объекта. Для того чтобы выбрать способ измерения, нужно оценить все за и против. ПГ «Метран» предлагает сегодня большой выбор портативных переносных и стационарных пирометров для различных применений, а также доступный по цене тепловизор. Предлагаемые приборы имеют сертификаты России, Украины и Белорусии, руководства по эксплуатации и методики поверки на русском языке. ПГ «Метран» обеспечивает квалифицированную техническую поддержку, сервисное обслуживание продукции, предлагает услуги по ремонту, периодической поверке и калибровке. Переносные пирометры измеряют температуру в диапазоне от -30°С до 3000°С с погрешностью до 0,75% от измеряемой величины, могут запоминать до 100 значений температуры, передавать данные измерений по цифровому выходу на персональный компьютер. Стационарные пирометры измеряют температуру от -40°С до 3000°С с погрешностью до 0,3% от измеряемой величины, имеют оптическое разрешение до 300:1, время отклика до 1 мс и выходные сигналы - термопары типа J/K/E/N/T/R/S, 0-5 В, 4-20 мА, интерфейсы RS-485 или RS-232, механическое реле. Тепловизор имеет следующие технические характеристики: • неохлаждаемая микроболометрическая матрица 160 x 120 ячеек; • диапазон измеряемых температур от 0 оС до 250 оС; • спектральный диапазон 7-14 мкм; • ЖКИ дисплей с тремя градациями яркости изображения для разных условий работы; • оптическое разрешение 90:1, минимальное расстояние до объекта измерения 60 см; • лазерный прицел - указатель центра зоны съемки; • память до 100 снимков и данных; • время непрерывной работы без перезарядки - 5 часов; • связь с персональным компьютером по USB-порту. Все эти приборы специально разработаны и откалиброваны для решения проблем измерения температуры в промышленности. В настоящее время бесконтактный метод измерения температуры широко востребован в энергетике. Он применяется для диагностики электрооборудования под напряжением, для технического обслуживания энергооборудования. С помощью пирометров и тепловизоров можно быстро и безопасно контролировать температуру электрических двигателей, корпусов трансформаторов, кожухов шинопроводов, оборудования электрических подстанций, обнаруживать осушенные участки высоковольтных кабельных линий, котролировать температуру электроизоляторов. В жилищно-коммунальном хозяйстве с помощью пирометров и тепловизоров производят контроль температуры труб подачи и забора воздуха, измеряют температуру теплотрасс, определяют места утечек тепла, проводят инспекцию кровли. Бесконтактный метод измерения температуры позволяет сократить время проведения измерений и обезопасить персонал, продлить срок службы средства измерения и расширить диапазон измеряемых температур. Дешевизна бесконтактного метода контроля температуры, его оперативность и доступность позволяют использовать пирометры и тепловизоры практически на любом предприятии. Благодаря своей простоте в работе, широкому диапазону измеряемых температур, малому времени отклика, отсутствию необходимости контактировать с объектом, своим функциональным возможностям бесконтактные средства измерения температуры находят широкое применение не только там, где это единственно возможное средство измерения, но и постепенно начинают вытеснять контактные датчики температуры. www.eprussia.ru Бесконтактные методы измерения температуры
При температуре выше 2730С всякое тело испускает электромагнитное излучение, которое зависит от температуры и оптических свойств этого тела. При комнатной температуре (Т = 300 К), тепловое излучение тел происходит в инфракрасном диапазоне длин волн (λ =10 мкм), недоступным зрительному восприятию глаза. С увеличением температуры светимость тел быстро возрастает, а длины волн смещаются в более коротковолновую область. Если температура достигает тысяч градусов, то тела начинают излучать в видимом диапазоне длин волн (λ = 0.4 - 0.8 мкм). Понятие о волнах Рис. 1 Шкала электромагнитных волн: 1 ГГц=103 МГц=109 Гц 1нм=10-3 мкм=10-9 мПо горизонтали на равных расстояниях друг от друга нанесены метки, соответствующие длинам, каждая из которых отличается в десять раз от соседней. Это и есть шкала длин волн ʎ, начинающаяся на нашей диаграмме слева с 10 км и заканчивающаяся значением ʎ=0,001 нм. 10 км слева и 0,001 нм справа — это границы рисунка, а не самой шкалы электромагнитных волн, которую можно представить себе продолженной в обе стороны. Под шкалой длин волн нанесена шкала соответствующих им частот колебаний v. Продолжая шкалу влево, мы переходим ко все более длинным волнам, т. е. ко все более низким частотам, пока не дойдем, наконец, до частоты v=0, т. е. до постоянного, не меняющегося со временем тока. Участки, на которых волны перекрывают друг друга означает, что эту волну, можно получить разными способами: посредством электрических колебаний, и тепловым способом, т. е. при излучении нагретого тела. Еще не так давно на шкале электромагнитных волн не было таких перекрываний, а, наоборот, имелись пробелы. В частности, был пробел между электромагнитным диапазоном (в узком смысле) и инфракрасными волнами. Электромагнитные волны были получены длиной до 6 мм (Лебедев), а тепловые — до 0,343 мм (Рубенс). Спектр видимого света делится по цветам:
Микроволно́вое излуче́ние, Сверхвысокочасто́тное излуче́ние (СВЧ-излучение) — электромагнитное излучение, включающее в себя сантиметровый и миллиметровый диапазон радиоволн (от 30 см — частота 1 ГГц до 1 мм — 300 ГГц). Микроволновое излучение большой интенсивности используется для бесконтактного нагрева тел (как в бытовых, так и в промышленных микроволновых печах для термообработки металлов). Микроволновое излучение малой интенсивности используется в средствах связи, преимущественно портативных — рациях, сотовых телефонах (кроме первых поколений), устройствах Bluetooth, WiFi и WiMAX. Звуковой диапазон Диапазон 20 Гц —— 20 кГц · около 20 000 Гц — верхний порог слуха ребёнка (зависит от человека)
Бесконтактные методы не являются абсолютными, так как измерение температуры осуществляется по интенсивности теплового излучения, что и обуславливает наличие приборных погрешностей, искажающих результаты.
Бесконтактный метод используется в пирометрах. К параметрам, характеризующим поток излучения, относятся: абсолютное значение мощности этого потока и ее спектральное распределение. Приборы, в которых используются эти свойства волн называются пирометрами (энергетические и спектральные). К энергетическим относятся пирометры суммарного излучения (радиационные) и частичного излучения (яркостные или монохроматические), в которых осуществляется прием и измерение потока излучения в одном участке спектра. В пирометрах спектрального отношения (цветовых) используются два или более участков спектра. Таким образом, условием точного измерения температур поверхности с использованием пирометров является правильно выбранный диапазон измерения температур и спектральный диапазон, в котором возможно измерение температуры данного типа объектов. Реальная (истинная) температура объекта может отличаться от измеренной в 2–3,3 раза при неправильном учете коэффициента теплового излучения. Оптические пирометры с исчезающей нитью. В таких пирометрах нить лампы накаливания проектируется на фоне раскаленного тела. Рис. 4. Нить пирометрической лампы на фоне раскаленного тела при температурах нити: а — ниже температуры раскаленного тела; б — равной температуре раскаленного тела; в — выше температуры раскаленного тела Рис. 4. Схема оптического пирометра с исчезающей нитью переменного накала Уравнивание яркостей достигается обычно изменением силы тока в лампе. Радиационные пирометры Радиационные пирометры (суммарного излучения) определяют температуру тела по плотности интегрального излучения лучей всех длин волн, теоретически от = 0 до Приемник интегрального излучения должен быть практически чувствительным ко всем длинам волн измеряемого участка спектра и выполняется обычно в форме тонкой металлической пластинки, покрытой сажей. Температура пластинки устанавливается в результате теплового равновесия между подводимым потоком лучистой энергии и теплоотводом от пластинки в окружающую среду. Температура пластинки обычно измеряется несколькими последовательно соединенными термопарами (термобатареей). Схема приемника излучения с термобатареей из шести термопар. Рабочие концы термопар 2 расклепываются в форме Отдельных тонких секторов 4, зачерняются и располагаются в виде венчика. Поток лучистой энергии воспринимается площадью, диаметром, несколько большим диаметра зачерненных секторов. Свободные концы термопар привариваются к тонким металлическим пластинкам 1, прикрепленным к слюдяному кольцу 3 и находятся вне зоны лучистого потока. Слюдяное кольцо зажимается в металлическом корпусе. Температура свободных концов термопар близка к температуре корпуса. В современных радиационных пирометрах типа «Рапир» приемник излучения состоит из десяти термопар, собранных по схеме, изображенной на рис. 16. Металлический корпус с приемником излучения, оптической системой и другими дополнительными устройствами называют телескопом радиационного пирометра. Рефлекторные оптические пирометры концентрируют лучистый поток с помощью вогнутого стального позолоченного зеркала 7. Концентрированный лучистый поток попадает на приемник излучения 3 со стороны, противоположной положению измеряемого тела относительно телескопа. Наводка на измеряемое тело осуществляется с помощью окуляра 4 со светофильтром 5 через отверстие в центре зеркала.
Цветовые пирометрыпирометра типа ЦЭП-3. Поток излучения от измеряемого тела Т поступает через объектив Об и диафрагму Д к обтюрато ру О, вращаемому электрическим двигателем ЭД со скоростью 50 оборотов в секунду. На обтюраторе установлены два комплекта цветных стеклянных светофильтров СФ и КФ, пропускающих узкие диапазоны длин волн, соответствующих эффективным длинам синих и красных волн. В результате на фотоэлемент Ф поочередно попадают лучи то синей, то красной эффективной длины. Образующиеся импульсы фототока разной величины преобразуются в электронном усилителе ЭУ в сигналы, пропорциональные логарифму отношения фототоков — функции значения цветовой температуры. Синхронный коммутатор СК позволяет усилителю ЭУ различать цвет входного сигнала. Результаты измерения фиксируются автоматическим потенциометром АП. Пирометром ЦЭП-3 можно измерять цветовые температуры в интервале 1400—2800°С. Весь этот интервал температур делится на поддиапазоны по 200—300°С, для каждого из которых используется свой обтюратор со специально подобранными комплектами цветовых и поглощающих фильтров. Шкала пирометров ЦЭП-3 условная. Для перевода на цветовую температуру пользуются специальными графиками для каждого поддиапазона измерения. Допустимая погрешность и вариация показаний не должны превышать 1 % от верхнего предела измерения соответствующего поддиапазона. В процессе эксплуатации за счет постепенного изменения спектральной чувствительности фотоэлемента, связанной с его старением, градуировка прибора изменяется, и необходимо примерно через каждые 30 суток ее корректировать. Поэтому при оценке погрешности измерения надо учитывать дополнительно величину погрешности образцовых или контрольных ламп, по которым градуируется и поверяется пирометр.
Рис. 2.23. Дифференциальный сильфонный манометр:
а – схема привода стрелки; б – блок первичного преобразования; 1 – «плюсовый» сильфон; 2 – «минусовый» сильфон; 3 – шток; 4 – рычаг; 5 – торсионный вывод; 6 – цилиндрическая пружина; 7 – компенсатор; 8 – плоскостный клапан; 9 – основание; 10 и 11 – крышки; 12 – подводящий штуцер; 13 – манжета; 14 – дросселирующий канал; 15 – клапан; 16 – рычажная система; 17 – трибко-секторный механизм; 18 – стрелка; 19 – регулировочный винт; 20 – натяжная пружина; 21 – пробка; 22 – уплотнительное резиновое кольцо
Внутренние объемы сильфонов, так же как и внутренняя полость основания 9, заполняются: жидкостью ПМС-5 для обычного и коррозионно-стойкого исполнений; составом ПЭФ-703110 – в кислородном варианте; дистиллированной водой – в варианте для пищевой промышленности и жидкостью ПМС-20 – для газового исполнения.
В конструкциях дифманометров, предназначенных для измерения давления газа, на шток одета манжета 13, движение среды организовано через дросселирующий канал 14. Регулированием размера проходного канала с помощью клапана 15 обеспечивается степень демпфирования измеряемого параметра.
Дифманометр работает следующим образом. Среды «плюсового» и «минусового» давления поступают через подводящие штуцеры в «плюсовую» и «минусовую» камеры соответственно. «Плюсовое» давление в большей степени воздействует на сильфон 1, сжимая его. Это приводит к перетоку находящейся внутри жидкости в «минусовый» сильфон, который растягивается и разжимает цилиндрическую пружину. Такая динамика происходит до уравновешивания сил взаимодействия между «плюсовым» сильфоном и парой – «минусовый» сильфон – цилиндрическая пружина. Мерой деформации сильфонов и их упругого взаимодействия служит перемещение штока, которое передается на рычаг и соответственно на ось торсионного вывода. На этой оси (рис. 2.23,а) закреплена рычажная система 16, обеспечивающая передачу вращения оси торсионного вывода к трибко-секторному механизму 17 и стрелке 18. Таким образом, воздействие на один из сильфонов приводит к угловому перемещению оси торсионного вывода и затем к повороту указательной стрелки прибора. Регулировочным винтом 19 с помощью натяжной пружины 20 производится корректировка нулевой точки прибора.
Пробки 21 предназначены для продувки импульсных линий, промывки измерительных полостей сильфонного блока, слива рабочей среды, заполнения измерительных полостей разделительной жидкостью при вводе прибора в работу. При односторонней перегрузке одной из камер происходит сжатие сильфона и перемещение штока. Клапан в виде уплотнительного резинового кольца 22 садится в гнездо основания, перекрывает переток жидкости из внутренней полости сильфона, и таким образом предотвращается его необратимая деформация. При непродолжительных перегрузках разность «плюсового» и «минусового» давления на сильфонный блок может достигать 25 МПа, а в отдельных типах приборов не превышать 32 МПа. прибор может выпускаться как в общетеническом, так и в аммиачном (А), кислородном (К), коррозионно-стойком-пищевом (Пп) исполнениях.
Достаточно широкое распространение получили приборы на основе мембран и мембранных коробок. В одном из вариантов (рис. 2.24) мембранная коробка 1, внутрь которой через подводящий штуцер держателя 2 поступает «плюсовое» давление, является чувствительным элементом дифманометра. Под воздействием этого давления смещается подвижный центр мембранной коробки.
Рис. 2.24. Показывающий дифференциальный манометр на основе мембранной коробки: 1 – мембранная коробка; 2 – держатель «плюсового» давления; 3 – держатель «минусового» давления; 4 – корпус; 5 – передаточный механизм; 6 – стрелка; 7 – циферблат «Минусовое» давление через подводящий штуцер держателя 3 подается внутрь герметичного корпуса 4 прибора и воздействует на мембранную коробку снаружи, создавая противодействие перемещению ее подвижного центра. Таким образом «плюсовое» и «минусовое» давления уравновешивают друг друга, а перемещение подвижного центра мембранной коробки свидетельствует о величине разностного – дифференциального давления. Этот сдвиг через передаточный механизм передается на указательную стрелку 6, которая на шкале циферблата 7 показывает измеряемое дифференциальное давление.
Диапазон измеряемого давления определяется свойствами мембран и ограничивается, как правило, в пределах от 0 до 0,4…40 кПа. При этом класс точности может составлять 1,5; 1,0; 0,6; 0,4, а в некоторых приборах 0,25.
Обязательная конструктивная герметичность корпуса определяет высокую защищенность от внешних воздействий и определяется в основном уровнем IP66.
В качестве материала для чувствительных элементов приборов используется бериллиевая и другие бронзы, а также нержавеющая сталь, для штуцеров, передаточных механизмов – медные сплавы, коррозионно-стойкие сплавы, включая нержавеющую сталь. Приборы могут изготавливаться в корпусах малых (63 мм), средних (100мм), и больших (160 мм) диаметров.
Мембранные показывающие дифференциальные манометры (рис. 2.25-2.27), как и приборы с мембранными коробками, используются для измерения малых значений дифференциального давления. Отличительная особенность – устойчивая работа при высоком статическом давлении.
Дифманометр с вертикальной мембраной (рис. 2.25) состоит из «плюсовой» 1 и «минусовой» 2 рабочих камер, разделенных чувствительной гофрированной мембраной 3. Под воздействием давления мембрана деформируется, в результате чего перемещается ее центр вместе с закрепленным на нем передающим штоком 4. Линейное смещение штока в передаточном механизме 5 преобразуется в осевое вращение трибки, и соответственно указательной стрелки, отсчитывающей на шкале прибора измеряемое давление.
Рис. 2.25. Мембранные показывающие дифференциальные манометры с вертикальной мембраной: 1 – «плюсовая» камера; 2 – «минусовая» камера; 3 – чувствительная гофрированная мембрана; 4 – передающий шток; 5 – передаточный механизм; 6 – предохранительный клапан
Для сохранения работоспособности чувствительной гофрированной мембраны при превышении максимального допустимого статического давления предусмотрен открывающийся предохранительный клапан 6. Причем конструкции этих клапанов могут быть различны. Соответственно такие приборы не могут использоваться, когда не допускается контакт сред из «плюсовой» и «минусовой» камер.
Рис.2.26. Мембранный показывающий дифференциальный манометр с горизонтальной мембраной:1 – «плюсовая» камера; 2 – «минусовая» камера; 3 – входной блок; 4 - чувствительная гофрированная мембрана; 5 – толкатель; 6 – сектор; 7 – трибка; 8 – стрелка; 9 – циферблат; 10 – разделительный сильфон
Дифманометр с горизонтальной чувствительной мембраной показан на рис. 2.26. Входной блок 3 состоит из двух частей, между которыми устанавливается гофрированная мембрана 4. В ее центре закреплен толкатель 5, передающий перемещение от мембраны, через сектор 6, трибку 7 к стрелке 8. В этом передаточном звене линейное перемещение толкателя преобразуется в осевое вращение стрелки 8, отслеживающей на шкале циферблата 9 измеряемое давление. В этой конструкции применена сильфонная система вывода толкателя из зоны рабочего давления. Разделительный сильфон 10 своим основанием герметично закрепляется на центре чувствительной мембраны, а верхней частью также герметично прикрепляется к входному блоку. Такая конструкция исключает контакт измеряемой и окружающей сред.
Конструкция входного блока предусматривает возможность промывки или продувки «плюсовой» и «минусовой» камер и обеспечивает применение таких приборов для работы даже в условиях загрязненных рабочих сред. Двухкамерная система измерения дифференциального давления применена в конструкции прибора, показанного на рис. 2.27. Измеряемые потоки среды направляются в «плюсовую» 1
Рис.2.27. Мембранный двухкамерный показывающий дифманометр: 1 – «плюсовая» камера; 2 – «минусовая» камера; 3 – передающий шток; 4 – сектор; 5 – трибка; 6 – коромысло
и «минусовую» 2 рабочие камеры, основными функциональными элементами которых являются автономные чувствительные мембраны. Преобладание одного давления над другим приводит к линейному перемещению передающего штока 3, которое через коромысло 6 передается соответственно на сектор 4, трибку 5 и систему стрелочной индикации измеряемого параметра. Дифманометры с двухкамерной системой измерения используются для измерения малых дифференциальных давлений при высоких статических нагрузках, вязких сред и сред с твердыми вкраплениями. Принципиально иной показывающий дифманометр изображен на рис. 2.28. Поворотный магнит 1, на торце которого установлена стрелка 2, размещен в корпусе 3, выполненном из немагнитного металла. Магнитный поршень, уплотненный фторопластовым сальником 5, может передвигаться в рабочем канале 6. Магнитный поршень 4 со стороны «минусового» давления подпирает пробка 7, в свою очередь поджимаемая диапазонной пружиной 8.
Рис. 2.28. Дифманометр с магнитным преобразователем: 1 – поворотный магнит; 2 – стрелка; 3 – корпус; 4 – магнитный поршень; 5 – фторопластовый сальник; 6 – рабочий канал; 7 – пробка; 8 – диапазонная пружина; 9 – блок электроконтактов
Среда «плюсового» давления через соответствующий подводящий штуцер воздействует на магнитный поршень и сдвигает его вместе с пробкой 7 по каналу 6 до уравновешивания такого смещения противодействующими силами – «минусовым» давлением и диапазонной пружиной. Движение магнитного поршня приводит к осевому вращению поворотного магнита и соответственно указательной стрелки. Такой сдвиг пропорционален перемещению стрелки. Полное согласование достигается подбором упругих характеристик диапазонной пружины. В дифманометре с магнитным преобразователем предусмотрен блок 9, замыкающий и размыкающий соответствующие контакты при прохождении вблизи его магнитного поршня. Термины сенсор, датчик и преобразователь описывают различные аспекты измерительного прибора. Ниже приведены некоторые основные допустимые описания: Сенсор — Стандартное устройство с мембраной и электронными компонентами для формирования „сырого" сигнала. Преобразователь служит для усиления и преобразования первичного сигнала в удобный формат, например, 4-20 мА. Датчик— Сенсор с наиболее усовершенствованной электронной поддержкой, способный преобразовывать параметр процесса в аналоговый или цифровой формат и передавать его через аппаратные средства. Интеллектуальный датчик — Датчик с дополнительными функциями диагностики и измерения параметров. Установка, обслуживание Правильность установки средств измерения важна. Например, средства для измерения расхода должны устанавливаться на прямом отрезке трубопровода. Датчики для измерения давления обычно монтируются с клапаном-отсекателем, особенно в непрерывных процессах. Таким образом, датчики можно калибровать, ремонтировать или заменять, не прерывая процесс. В ситуациях, когда рабочий режим является периодическим, это не настолько критично, и устройство можно устанавливать непосредственно в поток. Участок трубы или трубопровода, ведущего к сенсору, называется импульсной линией и помогает в тех случаях, когда нет достаточного пространства для доступа к корпусу датчика. Импульсная линия должна иметь минимальные размеры; • Если в качестве технологической среды используется жидкость, следует стравить воздух; • Если требуется, чтобы вывод данных осуществлялся в более удобном месте, следует удлинить кабель, а не импульсную линию; • В высокотемпературной среде, в особенности при наличии пара, следует убедиться, что импульсная линия может выступать в качестве сифона. Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: zdamsam.ru Бесконтактное измерение температуры металлов | специальная статьяПочти на всех промышленных этапах производства поддержание заданной температуры является фактором, обеспечивающим технологический процесс и качество продукции. Бесконтактные инфракрасные термометры получили при этом широкую известность в качестве измерительной техники, поскольку они не оказывают влияния на объект измерения. Это касается и процесса измерения металлов. Правильный контроль и управление температурой технологического процесса требуют качественного консультирования со стороны изготовителя или базовых знаний по измерительной технике у клиента. В данной статье приводится основная информация по важным параметрам, например, коэффициенту излучения и отражения, а также вытекающим из них ошибкам измерения. Дополнительно показывается, какое влияние они оказывают на измерение металлов, и почему здесь возможно использование надёжного и воспроизводимого бесконтактного способа измерения. Инфракрасный спектр излученияЕсли объект имеет температуру выше абсолютного нуля 0 K (–273,15 °C), то он испускает пропорциональное своей собственной температуре электромагнитное излучение. Инфракрасная спектральная область занимает при этом во всём электромагнитном спектре излучения только очень ограниченный участок. Он располагается от конца видимой спектральной области около 0,78 мкм до значений длины волны 1 000 мкм. Спектр представляющего интерес для измерения температуры инфракрасного излучения достигает диапазона от 0,8 до 14 мкм. Выше данных значений длины волны количества энергии незначительны до такой степени, что чувствительность детекторов недостаточна для их измерения. Испускаемое объектом инфракрасное излучение проходит сквозь атмосферу и может с помощью линзы фокусироваться на детектор. Детектор генерирует электрический сигнал, соответствующий излучению. Преобразование сигнала в пропорциональную температуре объекта выходную величину осуществляется посредством усиления сигнала и последующей цифровой обработки. Измеряемая величина может отображаться на дисплее или выдаваться в качестве электрического сигнала. Стандартные выходы для передачи измеряемых величин в системы регулирования доступны в форме линейных сигналов 0/4–20 мА, 0–10 В и в качестве сигналов термопар. Помимо этого, большинство используемых сегодня инфракрасных термометров имеют цифровые интерфейсы (USB, RS232, RS485, реле, PROFIBUS DP, шина данных CAN, Ethernet) для вывода данных, а также для прямого доступа к параметрам устройств. Характеристика инфракрасного излучения металлических поверхностей подробнее описывается в следующих разделах. Сначала даётся краткая информация о детекторе и преобразовании сигнала в температуру объекта. Расчёт температуры с помощью инфракрасного излученияБудучи приёмником излучения, детектор является самым важным элементом каждого инфракрасного термометра. Вследствие поступающего электромагнитного излучения возникает электрический сигнал, который можно точно проанализировать. Сигнал детектора U и температура объекта TОбъекта имеют следующую взаимосвязь: Сигнал детектора, полученный из испускаемого излучения объекта в общем спектре излучения, увеличивается пропорционально четвёртой степени абсолютной температуры объекта. Это означает следующее: если температура объекта измерения увеличивается в два раза, сигнал детектора повышается на коэффициент 16. Поскольку необходимо учитывать вместе со степенью излучения ε объекта и отраженное излучение окружающей среды на поверхность объекта TОкр. ср. и собственное излучение инфракрасного термометра TПиром. (C — специфичная для устройства постоянная), формула меняется следующим образом: К тому же, инфракрасные термометры работают не в общем спектре излучения. Показатель степени n зависит от длины волны. Показатель n для длин волн от 1 до 14 мкм находится в диапазоне 17…2, у коротковолновых измерительных приборов для определения температуры металла (от 1,0 до 2,3 мкм) — между 15…17:Температура объекта рассчитывается посредством перестановки последней формулы. Результаты расчётов для всех встречающихся значений температуры в виде семейства кривых сохраняются в памяти ЭСППЗУ инфракрасного термометра: Инфракрасные термометры получают достаточно сигнала для измерения температуры. Исходя из уравнений видно, что наряду с областью длины волны (спектр излучения) важное значение имеет и отражённое излучение окружающей среды и коэффициент излучения, когда требуется точно определить температуру. Значение данного параметра выводится и объясняется в дальнейшем. Модель АЧТ — важная опорная характеристикаУже в 1900 году Планк, Стефан, Больцман, Вин и Кирхгоф дали точное определение электромагнитному спектру и установили количественные и качественные взаимосвязи для описания инфракрасной энергии. Модель АЧТ образует базу для понимания физических основ бесконтактной технологии измерения температуры и калибровки инфракрасных термометров. С одной стороны, модель АЧТ представляет собой тело, которое поглощает всё падающее на него излучение; на нем не появляется ни отражение (ρ = 0), ни передача (τ = 0). Его коэффициент поглощения α составляет единицу. С другой стороны, модель АЧТ в зависимости от своей собственной температуры для каждой длины волны испускает максимально возможное количество энергии. Его коэффициент излучения ε также составляет единицу. Конструкция модели АЧТ очень проста. Нагреваемое закрытое полое тело, которое на одном конце имеет небольшое отверстие. Если это тело довести до любой, но постоянной температуры, то эта полость будет находиться в температурном равновесии, и из отверстия будет выходить идеализированное излучение общего электромагнитного спектра. Закон излучения Планка показывает основную взаимосвязь для бесконтактного измерения температуры. Он описывает специфичное спектральное излучение Mλs модели АЧТ в полупространстве в зависимости от своей температуры T и рассматриваемой длины волны λ (c: скорость света, h: квант действия по Планку): Verlauf der spezifischen spektralen Ausstrahlung eines schwarzen Strahlers www.optris.ru Измерение температуры объектов бесконтактными способами — МегаЛекции
1. Цель работы
1.1 Изучение принципа измерения температур объектов бесконтактными способами. 1.2 Изучение радиационного пирометра и тепловизора, получение навыков работы с ними. 1.3 Исследование влияния основных факторов на показания приборов бесконтактного определения температуры.
2. Домашнее задание
2.1 Изучить закономерности теплового излучения и особенности измерения температуры бесконтактными приборами. 2.2 Определить длину волны, на которую приходится максимум излучательной способности абсолютно черного тела (АЧТ) при температуре 25° С и 60°С. 2.3 Рассчитать мгновенное поле зрения для тепловизора и пирометра на расстоянии 1 и 2м.
3. Задание, выполняемое в лаборатории
3.1 Ознакомиться с аппаратурой, размещенной на лабораторном стенде и привести ее в рабочее состояние. Измерить температуру окружающей среды с помощью термопары. 3.2 Определить с помощью пирометра коэффициенты излучательной способности ε1 и ε2 для образца из двух объектов ( №1 и №2 ) с различной излучательной способностью. 3.3 Провести измерение температуры объектов №1 и №2 с расстояния 3метра. 3.4 Перевести пирометр в режим запоминания температуры в реальном времени и провести сканирование по площади поверхности объекта №1 и №2. При этом необходимо выставить ε1 и ε2 соответственно. 3.5 Выставить в тепловизоре значение излучательной способности ε1. Получить термограммы объекта №1 в режиме измерения максимальной температуры по области, минимальной температуры, средней температуры по области. 3.6 Выставить в тепловизоре значение излучательной способности ε2 и повторить действия из 3.3 для объекта №2. 3.7 Произвести нагрев объектов № 1 и № 2 с помощью галогенной лампы. Время нагрева – 3 минуты. 3.8 Повторить измерение температуры пирометром. Для этого следует выставить значение излучательной способности ε1 и ε2 соответственно. 3.9 Получить термограммы объектов №1 и №2 с помощью телповизора. Для корректного измерения температуры выставить значение излучательной способности ε1 и ε2 соответственно. 3.10 Для сравнения произвести измерение температуры АЧТ пирометром и снять термограмму тепловизором при двух температурах, повторяющие температуры, полученные в опытах. 3.11 По полученным термограммам построить профиль температур, включающий точку с максимальной температурой. 3.12 Оформить отчет и сформулировать выводы по результатам проведенных экспериментов. В отчете привести полученные графики и термограммы. 4. Описание лабораторной установки.
Лабораторная установка содержит: радиационный пирометр, тепловизор, термопрару, компьютер, образец с двумя объектами различной излучательной способности и устройства для взаимной фиксации компонент установки. В лабораторной работе используется набор объектов с различной излучательной способностью, отличающихся друг от друга наличием специальных покрытий.
В лабораторную установку входит портативный радиационный пирометр с лазерным указателем и тепловизор. Радиационными пирометрами называют приборы для бесконтактного одноточечного измерения температуры объекта по его тепловому излучению. Они основаны на преобразовании потока теплового излучения в электрический сигнал. Для корректного измерения температуры объекта с помощью радиационного пирометра, необходимо знать коэффициент излучающий способности ε. Тепловизором называют прибор, способный визуализировать тепловые поля на двумерном изображении. В лабораторную установку входит портативный тепловизор NEC со встроенным видеоканалом, способный совмещать инфракрасное и видимое изображение. Равномерный нагрев исследуемых объектов производится с помощью софитной лампы мощностью 300 Вт. Для фиксации объектов в нужном положении используются штатив и гибкая стойка.
5. Методические указания
5.1 Общие указания
При проведении бесконтактных измерений с помощью тепловизора и пирометра следует учитывать, что они реагируют на инфракрасное излучение, которое идет от зоны поля зрения, как за счет собственного излучения, так и за счет теплового потока от нагретых предметов в окружающем пространстве. Ввиду большой чувствительности тепловизора и пирометра к флуктуациям теплового излучения (до 0.1ºС) при проведении измерений температуры следует обратить внимание не следующие источники погрешности: Состояние поверхности контролируемого объекта сильнее других факторов влияет на результаты измерения, и этот фактор следует считать основным при использовании тепловизора и пирометра. Поэтому поверхность контролируемого объекта должна быть очищена от загрязнений и пыли. Тепловое излучение от посторонних источников тепла (батареи отопления, лампы, паяльники и т.п.) не должно прямо или однократно отразившись попадать в объектив тепловизора или пиромтера. Пирометр имеет быстродействие 0.25 с и запоминает результат, поэтому при появлении на экране дисплея значения измеренной температуры кнопку отсчета можно отпустить. Он измеряет интегральную температуру с области поля зрения, диметр этой зоны равен примерно 1/30 от расстояния от поверхности объекта до прибора. Перед выполнением измерений следует ознакомиться и руководством по эксплуатации пирометра и тепловизора.
5.2 Проведение измерений
Идеальным материалом для бесконтактного измерения является абсолютно черное тело. Его поверхность излучает максимальную энергию при данной температуре и имеет коэффициент излучения ε = 1. Для определения коэффициента излучения можно измерить температуру тестового объекта контактным датчиком, затем, регулируя коэффициент излучения на экране пирометра, добиться индикации такой же температуры. В полевых условиях для определения коэффициента излучения на объект наклеивают ленту с темной шероховатой поверхностью. Коэффициент излучения ленты считают равным единице. Она достаточно быстро принимает температуру объекта, на который наклеена. Направляют пирометр на объект и замеряют температуру. Затем добиваются индикации такой же температуры, направляя пирометр на объект и регулируя коэффициент излучения. Этот способ так же пригоден для тепловизора, измерения температуры при этом следует проводить в режиме измерения в точке, или малой области. Сначала совместив область, где измеряется температура с лентой, а затем с объектом. Для повышения достоверности следует осуществить сравнение результатов нескольких измерений температур одного и того же материала и взять среднее значение коэффициента теплового излучения. Так же для известных материалов коэффициент излучения можно установить по таблице. При этом точность табличного коэффициента ε, обычно хуже, чем при непосредственном измерении по вышеописанным алгоритмам.
5.3 Указания по выполнению домашнего задания.
При изучении теоретических вопросов обратить внимание на то, какие величины влияют на поток теплового излучения и показания бесконтактных приборов измерения температуры. Максимум температуры АЧТ соответствует длине волны (в мкм)
λmax= 2898 / Т,
где Т- абсолютная температура АЧТ в К. Диапазон длин волн, воспринимаемых пирометром и тепловизором составляет 8-14 мкм.
5.4 Указания по выполнению лабораторного задания.
После нагрева объектов измерения стоит производить по возможности быстрее, чтобы исключить их остывание. Измерения температуры бесконтактными приборами следует производить с расстояния порядка одного метра.
6. Контрольные вопросы
1. Каким образом происходит теплопередача? 2. От чего зависит теплопередача за счет теплопроводности и конвекции? 3. От чего зависит поток теплового излучения? 4. Как определить поток теплового излучения? 5. Назовите основные составляющие погрешности при измерении температуры радиационным пирометром и тепловизором. 6. Как влияет состояние поверхности объекта на показания теполвизора и пирометра? 7. В каком случае размеры объекта будут влиять на показания пирометра и на показания тепловизора? 8. Перечислите параметры объекта, которые можно определить с помощью тепловизора и пирометра.
Литература
Лабораторная работа № 5
megalektsii.ru |
|
||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||
|
Отёска стен и прирубка косяков - Когда на доме не достаёт окон и дверей, красивое высокое крыльцо ещё только в воображении, приходится подниматься с улицы в дом по трапу.
Дифференциальные уравнения второго порядка (модель рынка с прогнозируемыми ценами) - В простых моделях рынка спрос и предложение обычно полагают зависящими только от текущей цены на товар.
,
,
d
,
,
