ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ

Оси и плоскости тела человека - Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.

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.

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ БЕСКОНТАКТНЫМ МЕТОДОМ

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; Т_р- 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; Т_р- 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

Заданная температура	Пирометр полного излучения
Т_р,⁰С	Т,⁰С	D	d	g
….. ….. …..

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 х_п – 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.