1402

ляющего собой электромагнитные волны различной длины. Чем выше температура тела, тем больше энергии оно излучает.

Термометры, действие которых основано на измерении теплового излучения, называют пирометрами. Они позволяют контролировать температуру от 100 до 6000оС и выше, кроме того, пирометры могут быть использованы для измерения и более низких температур. Одним из главных достоинств этих устройств является отсутствие влияния измерителя на температурное поле нагретого тела, поскольку в процессе измерения они не вступают в непосредственный контакт друг с другом. Поэтому данные методы получили название бесконтактных.

На основании законов излучения разработаны пирометры следующих типов:

-пирометр суммарного излучения (ПСИ) – из-

меряется полная энергия излучения;

-пирометр частичного излучения (ПЧИ) – из-

меряется энергия в участке спектра, ограниченном фильтром (или приемником);

-пирометр спектрального отношения (ПСО) –

измеряется отношение энергий фиксированных участков спектра.

Взависимости от типа пирометра различаются радиаци-

онная, яркостная, цветовая температура.

Радиационной температурой реального тела Тр назы-

вают температуру, при которой полная мощность излучения абсолютного тела (АЧТ) равна полной энергии излучения дан-

ного тела при действительной температуре Тд.

Яркостной температурой реального тела Тя называют температуру, при которой плотность потока спектрального излучения АЧТ равна плотности потока спектрального излучения реального тела для той же длины волны (или узкого ин-

тервала спектра) при действительной температуре Тд. Цветовой температурой реального тела Тц называют

температуру, при которой отношение плотностей потоков излучения АЧТ для двух длин волн λ1 и λ2 равно отношению

11

плотностей потоков излучений реального тела для тех же длин волн при действительной температуре Тд.

2.2.1 Пирометры суммарного излучения (радиацион-

ные)

Пирометры суммарного излучения (ПСИ) измеряют радиационную температуру тела, поэтому их часто называют радиационными. Принцип действия данных измерителей температуры основан на использовании закона Стефана – Больцмана. Однако в случае применения оптических систем в ПСИ определение температуры ведется по плотности интегрального излучения не во всем интервале длин волн, а значительно меньшем: для стекла он составляет 0,4…2,5 мкм, а для плавленого кварца – 0,4…4 мкм. Датчик пирометра выполняется в виде телескопа, линза объектива которого фокусируется на термочувствительном приемнике излучения нагретого тела. В качестве термочувствительного элемента используются термопары, термобатареи, биметаллические спирали и т.п. наиболее широко применяются термобатареи, в которых используются 6…10 миниатюрных термопар (например, хромель – копелевых), соединенных последовательно. Поток излучения попадает на расклепанные в виде тонких зачерненных лепестков рабочие концы термопар. Свободные концы термопар привариваются к тонким пластинам, закрепленным на слюдяном кольце. Металлические выводы служат для присоединения к измерительному прибору, в качестве которого обычно используются потенциометры или вольтметры.

Рабочие концы термопар поглощают падающую энергию и нагреваются. Свободные концы находятся вне зоны потока излучения и имеют температуру корпуса телескопа. В результате возникновения перепада температур термобатарея развивает термоЭДС, пропорциональную температуре рабочих спаев, а следовательно, и температуре объекта измерения. Градуировка пирометров производится при температуре корпуса 20±2оС, поэтому повышение данной температуры приводит к уменьшению перепада температур в термопарах приемника

12

излучения и к появлению значительных дополнительных погрешностей. Так, при температуре корпуса 40оС дополнительная погрешность (при прочих равных условиях) составит ±4оС. Для снижения этой погрешности пирометры снабжаются компенсирующими устройствами: электрическим шунтом или биметаллической пружиной.

ПСИ имеют меньшую точность по сравнению с другими пирометрами. Методические погрешности измерения температуры при использовании ПСИ возникают вследствие значительной ошибки определения интегральной степени черноты εΣ, из-за неправильной наводки телескопа на излучатель, из-за влияния излучения кладки (при измерении температуры металла в печах), а также из-за поглощения энергии водяным паром и углекислым газом, содержащимися в слое воздуха, находящегося между излучателем и пирометром (поэтому оптимальным считается расстояние 0,8…1,3 м).

Вид материала линзы определяет интервал измеряемых температур и градуировочную характеристику. Стекло из флюорита обеспечивает возможность измерения низких температур начиная со 100оС, кварцевое стекло используется для температуры 400…1500оС, а оптическое стекло – для температур 950оС и выше.

ПСИ измеряют температуру от 100 до 3500оС. основная допустимая погрешность технических промышленных пирометров возрастает с увеличением верхнего предела измерения и для температур 1000, 2000 и 3000оС составляет соответст-

венно ±12, ±20 и ±35оС.

2.2.2 Пирометры частичного излучения (яркостные)

К данному типу пирометров, измеряющих яркостную температуру объекта, относятся монохроматические пирометры и фотоэлектрические пирометры, измеряющие энергию потока в узком диапазоне длин волн.

2.2.2.1 Оптические пирометры

Оптические пирометры, или так называемые пирометры визуальные с «исчезающей» нитью переменного накала, ши-

13

роко применяются для измерения яркостной температуры в видимой части спектра. Интервал измеряемых температур для общепромышленных пирометров с «исчезающей» нитью установлен от 700 до 8000оС в видимой области спектра. Для оптических пирометров в интервале температур 1200…2000оС

основная допустимая погрешность измерения составляет

±20оС.

Измерение яркостных температур пирометрами с «исчезающей» нитью основано на визуальном сравнении эффективной длины волны в видимой области спектра яркости исследуемого тела с яркостью нити пирометрической лампы. При этом в качестве чувствительного элемента (лучеприемника) для фиксирования наличия или отсутствия равновесия яркостей двух одновременно рассматриваемых изображений тел служит человеческий глаз. Вследствие этого измерения температуры пирометрами такого типа отличаются известной субъективностью, что следует иметь в виду при их применении.

2.2.2.2 Фотоэлектрические пирометры

Фотоэлектрические пирометры частичного излучения обеспечивают непрерывное автоматическое измерение и регистрацию температуры. Их принцип действия основан на использовании зависимости интенсивности излучения от температуры в узком интервале длин волн спектра. В качестве приемников в данных устройствах используются фотодиоды, фотосопротивления, фотоэлементы и фотоумножители.

Фотоэлектрические пирометры частичного излучения делятся на две группы:

-пирометры, в которых мерой температуры объекта является непосредственно величина фототока приемника излучения;

-пирометры, которые содержат стабильный источник излучения, причем фотоприемник служит лишь индикатором равенства яркостей данного источника и объекта.

В фотоэлектрических пирометрах с пределами измерения от 500 до 1100оС применяют кислородно – цезиевый фотоэле-

14

мент, а в приборах со шкалой 800…4000оС – вакуумный сурьмяно – цезиевый. Сочетание последнего с красным светофильтром обеспечивает получение эффективной длины волны пирометра 0,65±0,01 мкм, что приводит к совпадению показаний фотоэлектрического пирометра с показаниями визуального оптического пирометра.

2.2.3 Пирометры спектрального отношения (цвето-

вые)

Пирометры данного типа измеряют цветовую температуру объекта по отношению интенсивностей излучения в двух определенных участках спектра, каждая из которых характеризуется эффективной длиной волны λ1, λ2.

Пирометры спектрального отношения (ПСО) используются для измерения температур твердого и расплавленного металла в широком интервале температур от 300…2200оС и имеют класс точности 1 и 1,5 (в зависимости от предела измерения). Данные пирометры имеют в 3…5 раз меньшую методическую погрешность, связанную с изменением степени черноты излучателя. На их показания значительно меньше влияют поглощения промежуточной среды. Однако в тех случаях, когда объект характеризуется селективным излучением (степень черноты при одной и той же температуре резко изменяется с длиной волны), погрешность ПСО может быть выше погрешности пирометров излучения других типов. ПСО более сложны и менее дешевы, чем другие приборы.

3 ОСНОВНЫЕ ПРОМЫШЛЕННЫЕ СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

Если отображение значения температуры на самом первичном приборе не производится, но он позволяет получать и дистанционно передавать соответствующий измеряемому параметру сигнал, то такой прибор называют измерительным

преобразователем температуры (ИПТ), или датчиком тем-

пературы. Классификация ИПТ показана на рисунке 2.

15

По способу обработки и отображения измеряемой температуры ИПТ подразделяют на:

-первичные (формируют для дистанционной передачи выходной сигнал, соответствующий измеряемой температуре);

-вторичные (получают сигнал от первичных преобразователей, обрабатывают его, накапливают, отображают и передают на более высокий уровень системы).

Современные тенденции развития ИПТ заключаются в их «интеллектуализации» на базе микроэлектронной технологии

имикропроцессорной техники, предполагающей передачу части функций системы управления вторичным преобразователям, а некоторых традиционных функций вторичных приборов

– первичным.

По принципу действия, или способу преобразования температуры в выходной сигнал, первичные ИПТ подразделяют прежде всего на:

-механические;

-электрические.

По выходному сигналу ИПТ подразделяются на:

-аналоговые;

-цифровые.

Основной парк существующих ИПТ относится к аналоговым с унифицированным токовым сигналом 0…5, 0…20 или 4…20 мА. В последнее десятилетие наметился переход к ИПТ с цифровым выходом. Широкое распространение получил цифровой протокол HART. Этот открытый стандартный гибридный протокол двунаправленной связи предусматривает передачу цифровой информации поверх стандартного аналогового сигнала 4…20 мА.

ИПТ различаются, кроме того, по ряду основных технических параметров:

- диапазону измеряемой температуры (выбира-

ется для каждой модели из стандартного ряда температур);

16

-пределу основной допускаемой погрешности

(определяется при нормальной температуре +25оС от верхнего предела измерения и включает в себя, как правило, погрешности от гистерезиса ЧЭ, его линейности и воспроизводимости результатов измерения);

-пределу дополнительной температурной по-

грешности (этот предел задается от изменения температуры относительно нормальной на каждые 10 или 28оС или на весь диапазон работы);

-допустимому рабочему диапазону температур окружающей среды (иногда дополнительно указывают допустимый диапазон температур технологического процесса или измеряемой среды и корпуса прибора);

-динамическому диапазону измерения темпе-

ратур (отношению максимального значения измеряемой температуры к минимальному);

-стабильности метрологических характери-

стик во времени (как процент от верхнего предела диапазона измерения в течение 6 или 12 месяцев);

-устойчивости к вибрации;

-защите от высокочастотных помех;

-климатическому исполнению;

-взрывозащищенному исполнению;

-требованиям к источнику питания.

Кроме указанных выше параметров производитель может оговаривать и другие, характеризующие условия эксплуатации ИПТ.

В связи с развитием измерительной техники наиболее удобными техническими видами термометров стали те, в которых термометрическим признаком является электрический сигнал. Это термометры сопротивления (металлические и полупроводниковые) и термопары. К числу их достоинств следует отнести достаточно высокую степень точности, возможность централизации контроля температуры путем присоединения нескольких преобразователей через переключатель к

17

одному измерительному прибору, возможность автоматической записи измеряемой температуры с помощью самопишущего прибора или контроллера, возможность раздельной градуировки измерительного прибора и преобразователя.

Далее будем рассматривать более подробно термопары и металлические термометры сопротивления как основные датчики температуры для разработок ФГУП «Турбонасос».

В приложении В приведены основные производители средств измерений температуры в России.

На практике применяются и некоторые другие датчики температуры, кроме термопар и термометров сопротивления. В приложении Г приведены сведения о дилатометрических и биметаллических термометрах, в приложении Д - о манометрических термометрах. В приложении Е приведены сведения о сравнительно новых и перспективных датчиках температуры – кварцевывых.

3.1 Термопары, их основные типы и области применения

Согласно [1], в России стандартизованы типы термопар, наиболее распространенные из которых:

-медь – константановая (МКн);

-хромель – копелевая (ХК);

-хромель – константановая (ХКн);

-хромель – алюмелевая (ХА);

-железо – константановая (ЖК);

-нихросил – нисиловая (НН);

-платинородий – платиновые (ПП10, ПП13);

-платинородий – платинородиевая (ПР);

-вольфрамрений – вольфрамрениевые (А-1, А-2, А- 3).

Химический состав электродов и пределы измеряемых температур указанных выше термопар представлены в приложении Ж.

18

Верхний предел рабочего диапазона температур считается максимальной температурой длительного применения (≥ 1000 ч) термопары. За этот срок изменение статической характеристики термопары по отношению к номинальной не должно превышать 1%. Кратковременным применением считается работа термопары длительностью до 100 ч. за это время статическая характеристика термопары также не должна изменяться больше, чем на 1%.

В приложении З приведены рекомендуемые рабочие атмосферы для применения типов термопар, а также их дифференциальная чувствительность в указанных диапазонах температур. Из приложения В видно, что универсальными термопарами являются две: медь – константановая и железо – константановая. Первая не нашла широкого применения в промышленности из-за узкого диапазона температур в области выше 0оС. Она используется, в основном, для измерения низких температур. Термопара типа J (железо – константановая) широко используется на Западе, но в России также не нашла широкого применения, по-видимому, из-за отсутствия производства высокочистого термоэлектродного железа. Кроме того, к недостаткам термопары можно отнести плохую коррозионную стойкость железного электрода и высокую чувствительность к деформации.

3.1.2Термопары платинородий – платина

3.1.2.1 Основными термопарами металлургического производства в диапазоне температур 1100…1600оС являются платинородий – платиновые термопары ТПП10 и ТПР, модификация ТПП13 широко применяется на Западе термопары ТПП10 используются также и в качестве эталонных средств измерения температуры. По совокупности свойств платина и платинородиевые сплавы являются уникальными материалами для термопар. Их основное свойство – хорошее сопротивление газовой коррозии, особенно на воздухе при высоких температурах. Указанное свойство в сочетании с высокой температурой плавления и достаточно большой термоЭДС, хорошей со-

19

вместимостью со многими изолирующими и защитными материалами, технологичностью, а также с хорошей воспроизводимостью метрологических свойств делает их незаменимыми для изготовления электродов термопар, измеряющих высокие температуры в окислительных средах.

3.1.2.2Эти сплавы устойчивы в аргоне и гелии, не растворяют азот и водород и не образуют нитриды и гидриды,

не взаимодействуют с СО и СО2. тем не менее применять платинородий – платиновые термопары в восстановительных атмосферах не рекомендуется, т.к. в этом случае происходит загрязнение платины и платинородия элементами, восстанов-

ленными из защитной или изолирующей керамики (обычно оксидной). До 1200оС платина и ее сплавы с родием практически не взаимодействуют с огнеупорными материалами. При

более высоких температурах контакт с SiO2 ведет к изменению термоЭДС, т.к. в восстановительной атмосфере такой контакт уже при температуре выше 1100оС ведет к разрушению платины из-за образования силицидов Pt5Si2 и легкоплавкой (830оC) эвтектики Pt-Pt5Si2, отлагающейся по границам зерен. Эта реакция возможна только в присутствии углерода и серы и осу-

ществляется путем восстановления SiO2 до Si, который в присутствии СО соединяется с серой, образуя газообразный SiS2, последний реагирует с платиной.

3.1.2.3Таким образом, реакция протекает через газовую фазу и не требует обязательного контакта термоэлек-

тродов с кварцем. SiO2 может быть также восстановлен водородом до SiO2 (газ), который также реагирует с платиной. Вообще, кремний – основная причина охрупчивания и разрушения термопар. Он, как и некоторые другие элементы – Zn, Sn, Sb, Pb, As, Bi, P, B, S, - относится к платиновым ядам. Сера и углерод обычно присутствует в остатках смазочных масел и охлаждающих эмульсий (использованных при изготовлении металлической защитной арматуры чехла). Пары железа, хрома и марганца также представляют опасность для платиновых термоэлектродов, особенно в вакууме. Взаимодействие с па-

20