 |
Параметры линейки промышленных компьютеров Rokcwell Automation 9 глава
|
|
|
|
Зная монохроматический коэффициент черноты 
и температуру 
, можно определить действительную температуру тела 
.
По закону Вина интенсивность излучения для абсолютно черного тела
; 
; (8.13)
; (8.14)
; (8.15)
(8.16)
. (8.17)
Оптическим пирометром называют прибор, предназначенный для измерения яркостных температур светящихся тел в одном узком интервале длин волн видимого спектра – в определении интенсивности красного монохроматического излучения.
Р и с. 8.7. Оптическая система яркостного визуального пирометра:
1 – визируемый объект; 2 – объектив пирометра; 3 – входная диафрагма;
4 – светопоглощающее стекло; 5 – нить пирометрической лампы; 6 – линза окуляра;
7 – красный светофильтр; 8 – выходная диафрагма
Оптический пирометр является прибором ручного действия, чувствительным элементом при этом служит глаз наблюдателя. Поэтому прибор пригоден только для периодических, временных наблюдений, например, при наладке топочного процесса. Наиболее распространен оптический пирометр с «исчезающей» нитью. Его принципиальная схема представлена на рис. 8.7.
Изображение объекта с помощью объектива 2 проектируется в плоскости нити пирометрической лампы (эталонной). Наблюдатель, рассматривая с помощью окулярной линзы 6 изображение нити, видит его на фоне изображения нагретого тела
Между пирометрической лампой и объективом по мере необходимости вводят светопоглощающее стекло, а между лампочкой и глазом наблюдателя – светофильтр. Изменяя силу тока накала пирометрической лампы, добиваются совпадения яркости лампы накаливания с яркостью нагретого изделия. В этом случае глаз наблюдателя перестанет различать нить на фоне изображения объекта и она как бы «исчезнет».
|
|
|
Упрощенная схема оптического пирометра (типа ОППИР) показана на рис. 8.8, а. Прибор состоит из оптической системы и миллиамперметра 1 со шкалой, отградуированной в °С на разные пределы измерения яркостной температуры. Телескоп имеет объектив 2 и окуляр 5, с помощью которых он наводится на объект измерения. Между объективом и пирометрической лампой размещается кассета светофильтров 3, а между лампой и окуляром – красный светофильтр 6.
Нить накала лампы находится в поле зрения наблюдателя, смотрящего в телескоп. Лампа питается от аккумуляторной батареи Б. Ток в цепи нити накаливания лампы регулируется реостатом R и измеряется показывающим прибором 1. Для измерения температуры тела телескоп пирометра наводят на нагретую поверхность тела. Нить лампы при этом имеет небольшой накал и наблюдается в виде черной линии (дуги) на светлом фоне, как это показано на рис. 8.8, б.
Р и с. 8.8. Упрощенная схема оптического пирометра ОППИР:
а – схема пирометра; б, в, г – вид нити, наблюдаемой в телескоп
Увеличивая ток в цепи лампы накаливания вращением рукоятки реостата, мы увеличиваем температуру нити накаливания пирометрической лампы и в момент совпадения яркостей нити и объекта наблюдения накаленная часть нити «исчезает» на фоне нагретого предмета (рис. 8.8, в). По показаниям измерительного прибора, включенного в цепь пирометрической лампы, определяется яркостная температура. При дальнейшем увеличении накала лампы нить будет иметь вид светлой линии на темном фоне (рис. 8.8, г).
Зная зависимость яркостной температуры нити лампы от силы тока накала и измерив величину тока в момент исчезновения нити, определяют яркостную температуру объекта. В избежание перегрева нити накаливания выше 1400 °С при измерении температур выше указанного значения необходимо использовать кассету светофильтров 3. Использование кассеты светофильтров позволяет получить одинаковую яркость свечения объекта и нити накаливания, имеющих реально различные температуры.
|
|
|
Расстояние между измеряемым телом и оптическим пирометром не влияет существенно на точность измерения, если оно достаточно велико по сравнению с фокусным расстоянием объектива.
На точность измерения температуры оптическими пирометрами оказывают заметное влияние степень отклонения свойств излучателя от свойств черного тела, а также лучепоглощающие промежуточные среды, через которые производятся наблюдения.
Действие пирометров полного излучения основано на зависимости от температуры полной энергетической яркости тела, описываемой формулой Стефана-Больцмана (8.12).
Комплект прибора состоит из первичного преобразователя (телескопа), одного или двух вторичных приборов и вспомогательных устройств.
Первичный преобразователь пирометра снабжен теплочувствительным элементом и оптической системой, концентрирующей лучистую энергию тела на этом датчике, степень нагрева которого определяет радиационную температуру тела.
В качестве теплочувствительного элемента в большинстве случаев применяют миниатюрную термобатарею из нескольких последовательно соединенных термоэлектрических преобразователей (например, хромель-копелевых или др.). Термобатарея в радиационных пирометрах старых выпусков помещается в защитную стеклянную колбу. В пирометрах полного излучения, выпускаемых в настоящее время, применяют открытую термобатарею, т.е. без защитной стеклянной колбы, что значительно уменьшает инерционность первичного преобразователя пирометра.
Для концентрации лучистой энергии, исходящей из источника на теплочувствительный элемент, первичные преобразователи пирометров снабжаются рефракторной оптической системой (собирающей линзой). При небольших мощностях лучистой энергии и, следовательно, невысоких температурах тел для концентрации энергии используют рефлекторную оптическую систему (вогнутое зеркало).
Применяемые в настоящее время пирометры полного излучения позволяют измерять температуру в диапазоне от 400 до 3500 °С.
В качестве вторичных показывающих, самопишущих и регулирующих приборов, работающих в комплекте с первичными преобразователями пирометров, используются милливольтметры, автоматические потенциометры или иные регистраторы, в том числе цифровые, имеющие соответствующую градуировку. Вторичные приборы обычно снабжают шкалой, позволяющей отсчитывать непосредственно радиационную температуру, выраженную в градусах Цельсия.
|
|
|
Пирометр состоит из первичного преобразователя (телескопа) с рефракторной оптической системой и измерительного прибора ИП. Изображение объекта, температура которого измеряется, создается в телескопе с помощью линзы объектива 1 в плоскости термобатареи 2. Термобатарея 2 является приемником лучистой энергии и преобразователем ее в термоЭДС. Лучи от нагретого объекта, попадающие в линзу объектива, концентрируются на рабочей поверхности термобатареи. Электродвижущая сила термобатареи, температура которой устанавливается в результате воздействия на нее потока лучистой энергии от измеряемого тела и теплообмена с окружающими деталями, измеряется вторичным прибором ИП.
На рис. 8.9 приведены две оптические схемы радиационного пирометра: рефракторно-преломляющая (а) с оптической линзой и рефлекторно-отражающая с отражающим зеркалом (б).
а б
Р и с. 8.9. Схемы телескопов радиационных пирометров:
а – с рефракторной оптической системой;
б – с рефлекторной оптической системой
При последовательном соединении термопар их термоЭДС суммируются, и между крайними концами термобатареи снимается сигнал большой величины.
На рис. 8.10 показаны конструкции чувствительных элементов.
Рабочие концы термоэлектрических преобразователей 1 у термоэлектрических преобразователей расположены по кругу в центре слюдяного кольца 3, а свободные закреплены с помощью тонких металлических пластин 2 на том же слюдяном кольце (а) или непосредственно с помощью слюдяных колец 3 (б). Рабочая поверхность термобатарей, на которую подается поток лучистой энергии, зачернена платиновой чернью.
а б
Р и с. 8.10. Схемы термоэлектрических датчиков пирометра
полного излучения
|
|
|
Свободные концы термоэлектрических преобразователей термобатареи находятся обычно в тепловом контакте с корпусом первичного преобразователя (телескопа), градуировка и поверка которого производятся при температуре 20±2 °С.
При отклонениях температуры корпуса телескопа от температуры, принятой при градуировке, показания пирометра будут неправильными. Возникающие при этом дополнительные погрешности могут достигать больших значений. Для снижения этого вида погрешностей первичные преобразователи пирометров снабжаются различными устройствами температурной компенсации.
Поскольку первичные преобразователи пирометров даже при наличии температурной компенсации имеют значительные дополнительные погрешности, в промышленных условиях для снижения ошибки показаний, вызываемой нагревом корпуса первичного преобразователя, последний помещается в защитный кожух, охлаждаемый проточной водой.
При измерении температуры пирометром полного излучения наводка первичного преобразователя производится при помощи визирного устройства 4. В целях защиты глаза при наводке на излучатель, имеющий высокую температуру, перед линзой устанавливают цветное защитное стекло 5. При наводке первичного преобразователя пирометра необходимо добиться такого положения, чтобы видимое через окуляр изображение объекта полностью перекрывало отверстие диафрагмы перед термобатареей. При правильной фокусировке преобразователя пирометра рабочая поверхность термобатареи находится в центре видимого изображения. Минимальный размер излучателя, при котором изображение его полностью перекрывает отверстие диафрагмы перед термобатареей, определяется углом визирования объектов пирометрических преобразователей. Угол визирования объектов пирометрических преобразователей характеризуется значением показателя визирования, т.е. отношением диаметра круга D, вписанного в проекцию контура излучателя на плоскость, перпендикулярную оптической оси преобразователя, к расстоянию от излучателя до объектива преобразователя L, при котором изображение излучателя полностью перекрывает отверстие диафрагмы перед термобатареей.
Большинство цветовых пирометров построено на принципе сравнения интенсивности излучения (яркостей) двух узких монохроматических участков видимого спектра. Наилучшие показатели имеют пирометры, использующие для оценки интенсивностей излучения фотоэлементы, которые непрерывно измеряют температуру объекта.
Показания цветовых пирометров принципиально не зависят от расстояния до объекта измерения и от поглощения радиации в среде, заполняющей это расстояние, если коэффициенты поглощения одинаковы для обеих длин волн. На таком принципе построен переносной точечный пирометр Termopoint (Швеция).
|
|
|
Наибольшее распространение цветовые пирометры получили в металлургии для измерения температур расплавленных металлов.
8.2. Измерение давления и разности давлений
8.2.1. Общие сведения об измерении
давления и разности давлений
Давление характеризуется силой, равномерно распределённой по поверхности и нормально действующей на неё. В международной системе единиц измерения СИ в качестве единицы давления принято давление, вызванное силой в 1 ньютон. Равномерно распределённой по поверхности площадью 1 м2. Эта единица называется Паскаль.
1 н/м2 = 1 Па.
Один паскаль – величина очень маленькая, поэтому часто используется единица 1 бар = 105 н/м2. До настоящего времени в технике применяется система единиц МКГСС, в которой давление измеряется в кгс/см2, метрах водяного столба.
1 кгс/см2 = 10,33 метра вод. ст. = 103 н/м2.
По принципу действия приборы, применяемые для измерения давления, подразделяются на следующие группы:
− жидкостные – в них измеряемое давление уравновешивается высотой столба жидкости, а величина давления определяется по высоте этого столба или по разности высот двух столбов жидкости;
− деформационные – измеряемое давление уравновешивается упругими силами, возникающими в чувствительном элементе при его деформации, а величина давления определяется по величине упругой деформации чувствительного элемента;
− электрические – действие которых основано на изменении электрического сопротивления пьезорезистора при деформации его чувствительного элемента под действием входной измеряемой величины (давления или разности давлений).
В зависимости от наименования выделяются следующие группы приборов:
− манометры – устройства для измерения давления или разности давлений;
− барометры – приборы для измерения барометрического (абсолютного) давления атмосферного воздуха;
− манометры – устройства для измерения избыточного давления;
− вакуумметры – приборы для измерения вакуумметрического давления или для измерения абсолютного давления ниже 100 мм вод. ст.;
− дифференциальные манометры – устройства для измерения разности давлений, когда ни одно из давлений не равно атмосферному.
При измерениях давления мы сталкиваемся с несколькими понятиями давления, которые связаны между собой.
Абсолютным давлением называют давление, измеренное от абсолютного нуля (Ра).
Барометрическим, или атмосферным, давлением называют давление окружающего нас воздуха (Рб).
Избыточным давлением называется разность между абсолютным и барометрическим давлением (Ри).
Вакуумметрическим давлением называется разность между барометрическим и абсолютным давлением (Рв).
Из приведенных выше определений имеем:
при 
; (8.18)
при 
. (8.19)
При построении различных информационных систем для измерения давления или разности давлений используются электрические первичные приборы давления с унифицированным выходным сигналом постоянного тока.
8.2.2. Пьезоэлектрические датчики
Принцип действия пьезоэлектрических датчиков основан на использовании прямого или обратного пьезоэлектрических эффектов. Прямой пьезоэффект представляет собой способность некоторых материалов образовывать электрические заряды на поверхности при приложении механической нагрузки, обратный – в изменении механического напряжения или геометрических размеров образца материала под воздействием электрического поля.
Количественно пьезоэффект оценивается пьезомодулем Kd, устанавливающим зависимость между возникающим зарядом q и приложенной силой F:
. (8.20)
Из пьезоматериалов наиболее распространен кварц, что объясняется его удовлетворительными пьезоэлектрическими свойствами, очень высоким сопротивлением, стойкостью к воздействиям температуры и влажности, высокой механической прочностью.
Пьезочувствительный элемент вырезают из кристалла кварца в виде параллелепипеда, стороны которого параллельны осям кристалла (рис. 8.11, а). В ненапряженном состоянии пластина является электрически нейтральной. Если к ней приложена сила F вдоль оси X, то на ее гранях, перпендикулярных к оси X, возникают разнополярные электрические заряды q. Значения этих зарядов в пределах упругих деформаций находятся в линейной зависимости от приложенной силы в соответствии с выражением (8.20). Такой пьезоэффект называется продольным. Значения зарядов не зависят от геометрических размеров пластины, а определяются лишь силой F. Если пластину подвергнуть сжатию по оси Y, то на тех же гранях вновь появятся заряды, но теперь уже противоположного знака (поперечный пьезоэффект). Значение заряда при поперечном пьзоэффекте
, (8.21)
где а и b – размеры пьезоэлемента в направлении осей X и Y.
В зависимости от направления действия силы F (сжатие или растяжение) знаки зарядов на гранях пластины будут меняться. При приложении силы F вдоль оси Z пьезоэффект не наблюдается. Пластина кварца остается также электрически нейтральной при равномерном воздействии на нее со всех сторон (например, при гидростатическом сжатии).
а б
Р и с. 8.11. Пьезочувствительный элемент:
а – вид кристалла кварца;
б – соединение пластин кварца для увеличения сигнала
Конструктивно пьезоэлектрический преобразователь давления представляет собой пластину из пьезоматериала. На две ее грани нанесены электроды, с которых снимается заряд или напряжение. Напряжение на обкладках при отсутствии нагрузки
, (8.22)
где Сп = εSx / а – емкость пьезоэлектрического элемента преобразователя; ε – диэлектрическая постоянная материала пластины; S=hb – площадь грани, перпендикулярной к оси X; а – толщина пластины.
Для увеличения сигнала, поступающего с преобразователя, зачастую пластины – шайбы из пьезокерамики компонуют в столбик (рис. 8.11, б). Наряду с преобразователями, в которых пьезоэлемент работает на сжатие-растяжение, применяются конструкции, где элемент работает на изгиб и сдвиг.
Погрешности пьезоэлектрических преобразователей складываются из погрешностей, вызываемых изменением параметров измерительной цепи, изменением пьезоэлектрического модуля, неправильной установкой пластин, чувствительностью к силам, действующим перпендикулярно к измерительной оси преобразователя, температурной и частотной погрешностями.
К достоинствам пьезоэлектрических ИП необходимо отнести простоту конструкции, малые размеры и стоимость, высокую надежность, возможность измерения быстропеременных величин. К недостаткам – невысокую чувствительность, непригодность к измерению статических величин, высокое входное сопротивление измерительной цепи, относительно невысокий уровень выходного сигнала.
8.2.3. Тензорезисторы
В основе работы тензорезисторов лежит тензоэффект, заключающийся в изменении активного электрического сопротивления проводников и полупроводников при их механической деформации. Тензоэффект материала характеризуется коэффициентом тензочувствительности КR, который определяется как отношение изменения сопротивления к изменению длины проводника:
, (8.23)
где δR = ∆R/R, δl = ∆l/1, ∆ R – приращение сопротивления при изменении длины l на ∆l; Е – модуль упругости материала; σ – механическое напряжение.
Коэффициент тензочувствительности связан с деформацией материала и его удельным сопротивлением выражением
, (8.24)
где μ – коэффициент Пуассона; δr = ∆r/r – относительное приращение удельного сопротивления r материала при деформации.
В качестве тензорезистивного материала используют металлы с малым термическим коэффициентом сопротивления и полупроводники. Конструктивно они подразделяются на проволочные и фольговые. Полупроводниковые тензорезисторы имеют ряд существенных преимуществ по сравнению с проволочными:
− чувствительность в 50…60 раз превышает чувствительность проволочных;
− размеры существенно меньше;
− уровень выходного сигнала в ряде случаев достаточен для использования без сложных и дорогих усилителей.
Основным отличием полупроводниковых тензорезисторов от проволочных является большой коэффициент тензочувствительности.
На рис. 8.12 представлены фольговый тензорезистор и датчик давления мембранного типа.
а б
Р и с. 8.12. Тензорезистивный датчик давления мембранного типа:
а – фольговый тензорезистор; б – конструкция датчика
К недостаткам полупроводниковых тензорезисторов относятся малые механическая прочность и гибкость, чувствительность к температуре. Погрешность измерений – (0,2…0,5)% при статических и (1…1,5)% при динамических измерениях.
Тензорезисторы используют в основном для измерения давления жидкости и газа. Различают тензорезистивные датчики абсолютного и дифференциального давления.
Измеряемое давление действует на металлическую мембрану, к которой сверху припаяна сапфировая мембрана с тензорезисторами. Элементы измерительной схемы и усилитель находятся в нормирующем усилителе (НУ).
8.2.4. Интеллектуальные датчики давления
В последнее время достаточно широкое распространение получили интеллектуальные датчики давления (типа Метран-100, Метран-49). На рис. 8.13 приведены интеллектуальные датчики давления серии Метран.
Интеллектуальные датчики давления предназначены для измерения и непрерывного преобразования в унифицированный аналоговый токовый сигнал или цифровой сигнал следующих физических величин давления (171):
− избыточного давления;
− абсолютного давления;
− разрежения;
− давления-разрежения;
− разности давлений;
− гидростатического давления.
Датчики осуществляют непрерывную самодиагностику, обеспечивая контроль работы с формированием информации о возникновении неисправностей. В процессе работы датчика можно контролировать установку «нуля» путем нажатия соответствующей кнопки. В режиме измерения значение сигнала датчика в цифровом виде выводится на жидкокристаллический индикатор, встроенный в корпус электронного блока, в выбранных единицах измерения (Па, кПа, МПа, кгс/см2, кгс/м2).
Электронное устройство датчика преобразует электрический сигнал от тензопреобразователя в стандартный аналоговый сигнал постоянного тока. В памяти сенсорного блока хранятся результаты калибровки сенсора во всем рабочем диапазоне давлений и температур. Эти данные используются микропроцессором для коррекции выходного сигнала датчика. Микроконтроллер электронного преобразователя осуществляет вычисление скорректированного значения выходного сигнала датчика.
Р и с. 8.13. Интеллектуальные датчики давления
Самодиагностика датчика выполняется при подаче напряжения питания во время подготовки его к работе и в процессе измерения давления.
В памяти сенсорного блока хранятся результаты калибровки сенсора во всем рабочем диапазоне давлений и температур. Эти данные используются микропроцессором для коррекции выходного сигнала датчика. Микроконтроллер электронного преобразователя осуществляет вычисление скорректированного значения выходного сигнала датчика.
Самодиагностика датчика выполняется при подаче напряжения питания во время подготовки его к работе и в процессе измерения давления.
При самодиагностике проверяется:
− состояние микропроцессора;
− наличие связи с платой аналого-цифрового преобразователя;
− наличие связи аналого-цифрового преобразователя с тензопреобразователем;
− состояние энергонезависимой памяти платы аналого-цифрового преобразователя с платой процессора.
При обнаружении неисправности на индикаторе выходного сигнала устанавливается определенная его величина, указанная в конструкторской документации.
8.3. Измерение расхода и количества
жидкостей, газа, пара
8.3.1. Общие положения
Под расходом понимают количество вещества, проходящее через определённое сечение в единицу времени. Расход измеряют расходомерами и счетчиками количества. Расходомеры позволяют определить значение расхода в любой момент времени. Счетчики количества определяют количество среды за интервал времени между двумя отсчетами.
По методам измерения расходомеры подразделяются на следующие разновидности:
− пневмометрические – измеряющие расход по скорости потока в одной или нескольких точках поперечного сечения канала или трубопровода;
− переменного перепада давления – измеряющие расход по перепаду давления на местных сужениях потока измеряемой среды;
− постоянного перепада давления – измеряющие расход по сечению потока у подвижного сопротивления, обтекаемого измеряемой средой;
− электромагнитные или индукционные – измеряющие расход по ЭДС, которая индуцируется электропроводной жидкостью, пересекающей магнитное поле;
− ультразвуковые – измеряющие расход по смещению звуковых колебаний движущейся среды;
− тахометрические – измеряющие расход по скорости вращения ротора, крыльчатки или диска, расположенных в потоке измеряемой среды в зависимости от расхода.
Пневмометрическое измерение расхода обычно применяется при проведении пуско-наладочных и научно-исследовательских работ и предусматривает измерение скоростей движения потока в определённых точках поперечного сечения с помощью специальных напорных трубок.
8.3.2. Измерение расхода методом
переменного перепада давления
Для измерения расхода среды методом переменного перепада давления в трубопроводе, по которому протекает среда, создается местное сужение потока. Средняя скорость потока в суженном сечении повышается, и часть потенциальной энергии переходит в кинетическую энергию. В результате статическое давление в суженном сечении потока становится меньше статического давления перед сужением. По разности статических давлений потока до сужения и в суженном сечении можно определить величину расхода протекающей среды.
При определении общих зависимостей между расходом и перепадом давления предполагают наличие следующих основных условий:
− поток измеряемой среды считается установившимся – до и после устройства имеются прямые участки трубопровода достаточной длины;
− поток полностью заполняет все сечение трубопровода и сужающего устройства;
− измеряемая среда однофазна, и её состояние не меняется при прохождении через сужающее устройство;
− в трубопроводе перед сужающим устройством не скапливается конденсат, пыль или иные отложения;
− трубопровод имеет определенный профиль.
В качестве сужающих устройств, устанавливаемых в трубопроводах, применяются стандартные диафрагмы, стандартные сопла и сопла Вентури. Рассмотрим участок трубопровода круглого сечения с установленной в нем диафрагмой.
Диафрагма, показанная на рис. 8.14, а, представляет собой металлический диск с концентрично расположенным отверстием диаметра меньшего, чем диаметр трубопровода. До сужающего устройства в установившемся режиме поток имел скорость 
и статическое давление 
.
При подходе к диафрагме поток сужается, скорость его увеличивается, статическое давление падает. В самом суженном месте на каком-то расстоянии за диафрагмой статическое давление потока составляет 
. По мере движения потока его скорость падает, статическое давление растет. В установившемся состоянии за диафрагмой статическое давление среды оказывается меньше на величину 
, которая называется безвозвратной потерей напора потока. Перед диафрагмой наблюдается увеличение статического давления до 
за счет того, что слои потока, движущиеся рядом со стенкой трубопровода, упираются в диафрагму, их скорость падает до нуля, и кинетическая энергия потока переходит в потенциальную. Сразу за сужающим устройством в углах образуются завихрения, на которые затрачивается определенное количество энергии, характеризуемой величиной безвозвратной потери напора потока.
|
|
|
