Термопары
Термопары являются датчиками температуры и работают в комплекте с вторичными приборами: милливольтметрами и потенциометрами. Термопара представляет собой спай из двух разнородных металлических проводников (термоэлектродов), которые предназначены для измерения температуры в объекте.
1 – «горячий» спай (рабочий); 2 - положительный термоэлектрод; 3 - отрицательный термоэлектрод; 4 - «холодные» концы (свободные); 5 – компенсационные провода.
Принцип действия термопары основан на термоэлектрическом эффекте (эффект Зеебека). Он гласит: «В замкнутой цепи из двух разнородных металлических проводников возникает электрический ток, если два места соединения (спая) имеют разную температуру». Термо э.д.с. на концах термопары зависит от материала термоэлектродов и температуры «горячего» и «холодного» спаев.
Для технических измерений применяют термопары из следующих материалов: 1. ТХК - термопара хромель – копель, пределы измерения от -50 0С до +600 0С (кратковременно 800 0С); 2. ТХА - термопара хромель – алюмель, от -50 0С до +1000 0С (кратковременно 1300 0С); 3. ТПП - термопара платинародий – платина от -20 0С до +1300 0С (кратковременно 1600 0С); 4. ТПР - термопара платинародий - платинародий от (+300 0С до +1600 0С) (кратковременно+1800 0С) 5. ТВР - термопара вольфрам – рений (до 2300 0С) Гр. ХК; Гр. ХА; Гр. ПП; Гр. ПР 30/6 ; Гр. ВР 5/20. Положительным является электрод, материал которого стоит первым в градуировке, отрицательным - второй. Применение компенсационных проводов позволяет как бы удлиннить термопару и перенести ее свободные концы на вход вторичного прибора. Их изготавливают из материалов, которые развивают ту же термо э.д.с., что и сама термопара. Например, для ТХК применяют хромель-копелевые провода, а для ТХА один провод - медный, а другой - константановый (60% Cu + 40% Ni). Как правило, измерительный прибор располагается в помещении, где ведется наблюдение за температурой (помещение операторной), в котором температура более стабильна, чем в зоне, где находятся клеммы термопа- ры. Но все-таки температура в этой зоне (комнатная температура) отлича- ется от температуры градуировки термопары (00С) и также, хоть и в малой степени, подвержена колебаниям. В этом случае суммарная термо-ЭДС термометра будет занижена (в случае, если температура в зоне свободных концов >00С) на величину термо-ЭДС между окружающей температурой и градуировочной.
ПРИМЕРЫ ПОСТРОЕНИЯ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ ПРИБОРОВ И СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ
Пирометрией называется наука об измерениях температуры нагретых объектов по их излучению. Соответственно и при- боры, определяющие температуру объекта по его излучению, называются пирометрами. Практическая пирометрия возник- ла на рубеже 19 и 20-го веков. Примерно тогда же и сформи- ровались два основных метода пирометрии: радиационная пирометрия и оптическая пирометрия. Названия эти с тече- нием времени менялись и корректировались, но суть мето- дов осталась неизменной. Метод радиационной пирометрии использует зависимость энергетической яркости излучения объекта в ограниченном диапазоне длин волн от его температуры. Другими словами, яркость излучения объекта зависит от его температуры. Сле- довательно, измерив яркость излучения объекта, мы можем измерить (с той или иной точностью) значение температуры объекта. Таким образом, ключевым элементом радиационно- го пирометра является приемник излучения, преобразующий приходящую на него энергию излучения в иную физическую величину, чаще всего в ток или в напряжение. Его дополняют оптическая система, собирающая в определенном телесном угле излучение от объекта, и электронная схема с системами питания и индикации, усиливающая, преобразовывающая и отображающая результат измерения. Метод оптической пирометрии первоначально основы- вался на зависимости спектрального распределения пото- ка излучения нагретого объекта от температуры в диапазо- не видимых длин волн. Другими словами, от температуры нагретого объекта зависел цвет его излучения. Объекты, нагретые до 700–800°С, светят темно-оранжевым светом, при 1000–1200°С цвет свечения становится ярко-оранжевым, постепенно переходя в желтый, при 2000°С цвет воспринима- ется нашим глазом как ярко-желтый, а после 2500°С свечение приближается к белому цвету. Долгое время основными элементами цветового сравне- ния были глаз оператора и нагретая нить накала (или спираль), расположенная в окуляре пирометра в поле зрения оператора. Нить в окуляре совмещалась с изображением измеряемого объекта. Регулируя проходящий через накальную нить элек- трический ток, оператор подбирал такое его значение, чтобы цвет нити совпадал с цветом измеряемого объекта. При опре- деленном значении тока изображение нити "исчезало" на фоне нагретого объекта, что являлось критерием равенства темпе- ратуры объекта и нагретой нити. Кстати, отсюда пошло и рас- пространенное в литературе название подобных пирометров – пирометры с исчезающей нитью. Другое название этих пиро- метров, не менее распространенное – цветовые пирометры. В силу особенностей человеческого зрения описанный метод при опоре на восприятие цвета человеческим глазом имеет серьезные ограничения в точности и повторяемости результатов измерений. Поэтому с развитием компонент- ной базы весьма субъективные визуальные измерения были вытеснены измерениями с помощью нескольких приемни- ков излучения, работающих в различных спектральных диа- пазонах. Таких приемников может быть и три, и семь, но на практике чаще всего ограничиваются двумя. Таким образом, в настоящее время этот метод основан на зависимости от температуры отношения энергетических яркостей объекта в двух различных областях спектра излучения. Соответственно, этот метод получил название метода пирометрии спектраль- ного отношения. Металлургам с опытом хорошо известно, что при измерении температуры металлов с помощью пирометров спектраль- ного отношения результаты оказываются завышенными, порой до 10%. О причинах этого завышения и о способах борьбы с ним рассказывается в настоящей статье. о п т и ч е с к и е и з м е р е н и я ПИРОМЕТРЫ СПЕКТРАЛЬНОГО ОТНОШЕНИЯ: А.Фрунзе, ВНИИОФИ, www.pyrometer.ru ПРЕИМУЩЕСТВА, НЕДОСТАТКИ И ПУТИ ИХ УСТРАНЕНИЯ 32 ФОТОНИКА 4/2009В первой половине 20-го века пирометры с исчезающей нитью были распространены гораздо шире радиационных пирометров. С середины прошлого века наметилась обрат- ная тенденция – после появления радиационного пирометра "Radiamatic" фирмы BRAUN его, как принято сейчас говорить, легальные и нелегальные копии начали вытеснять цветовые пирометры. Пожалуй, и сейчас в мире радиационных пиро- метров используется больше, чем пирометров спектрального отношения, хотя количество последних в нынешнем столетии заметно увеличилось. И радиационные пирометры, и пиро- метры спектрального отношения имеют как достоинства, так и недостатки, в силу чего ни те, ни другие не в силах вытес- нить друг друга с потребительского рынка. ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ РАДИАЦИОННЫХ ПИРОМЕТРОВ Радиационные пирометры проще, чем пирометры спект- рального отношения. У последних принципиально должно быть не менее двух приемников, усилителей и преобразова- телей, в то время как радиационные пирометры довольству- ются одним комплектом всех необходимых узлов. Еще одно преимущество радиационных пирометров – более высокая, чем у пирометров спектрального отношения, разрешающая способность. Это "забронировало место" для радиационных пирометров в различных эталонных установках. Далее, в силу ряда причин радиационные пирометры вне конкуренции при измерении температур ниже 300–400°С, и при работе в узких спектральных диапазонах – например, при контроле температуры стекла, измерении через пламя, и т.д. Трудно также предположить, что в обозримом будущем пиро- метрами спектрального отношения можно будет измерять температуру алюминия и его сплавов в диапазоне до 500°С. Сказанное предрекает радиационной пирометрии еще долгие годы жизни. Но, увы, метод радиационной пиромет- рии обладает рядом "врожденных" существенных недостат- ков, на которых мы кратко остановимся. Основная проблема радиационной пирометрии – это зависимость результатов измерений от излучательной способности объекта. Чтобы было понятнее, представьте себе два полированных алюми- ниевых чайника, один из которых только снят с полки мага- зина, а другой, изрядно закопченный, более десятка лет еже- годно вывозился в туристские походы и на слеты. Представь- те также, что оба они залиты под завязку водой и доведены до кипения. Если мы попробуем измерить температуру сте- нок этих чайников хорошо настроенным радиационным пиро- метром, то при измерении закопченного чайника пирометр покажет температуру от 90 до 98 градусов, а при измерении блестящего полированного – от 25 до 35 градусов. При этом вода в них кипит, т.е. температура внутренних поверхностей обеих стенок около 100 градусов. Парадоксальное на первый взгляд явление объясняется просто. При одной и той же температуре различные тела излу- чают по-разному – одни сильнее, другие – слабее. В термо- динамике принято, что излучательная способность ε идеаль- ного излучателя – "абсолютно черного тела" – равна 1, а излу- чательная способность реальных тел (естественно меньшая, чем у идеального излучателя) лежит в диапазоне от 0,02–0,03 до 0,98–0,99. То есть, если тело излучает вдвое меньше, чем "абсолютно черное тело", то его излучательная способность равна 0,5, если на 20% меньше – то 0,8 и т.д. Излучательная способность стенки закопченного чайника близка к единице, и составляет 0,95–0,96, в то время как у полированного она немногим больше 0,1. Соответственно, полированный излуча- ет почти в 10 раз меньше, чем закопченный, а по результатам измерений радиационного пирометра выходит, что темпера- тура полированного чайника заметно ниже 100°С. Чтобы исправить ситуацию, разработчики радиационных пирометров снабжают свои изделия органом регулировки, который фактически регулирует коэффициент усиления уси- лителя сигнала приемника. Шкала этого органа регулировки делается, как правило, от 0–0,1 до 1,0. Если вы установи- ли эту регулировку в положение 0,1, то сигнал от приемни- ка дополнительно усилится в 10 раз, если 0,2 – в 5 раз, если 0,67 – в 1,5 раза, и т.д. Таким образом, вам предоставляется возможность получить правильный результат измерений для объектов с любой излучательной способностью – будь она равна любому значению из диапазона от 0,1 до 0,99. Это замечательное техническое решение – назовем его коррекцией по излучательной способности – имеет один Пирометры спектрального отношения: преимущества, недостатки и пути их устранения Рис.1 Зависимость излучательной способности металлов от длины волны λ Рис.2 Спектральные характеристики приемника в пиро- метрах ДИЭЛТЕСТ: синяя кривая – коротковолновая область, красная – длинноволновая ФОТОНИКА 4/2009 33о п т и ч е с к и е и з м е р е н и я серьезнейший недостаток. При измерении объекта вы долж- ны довольно точно знать его излучательную способность. В ряде случаев можно требуемую информацию получить из справочников. Но очень часто в них или нет данных на ваш объект, или приведенные данные некорректные (к примеру, справедливы для пирометра, работающего в ином спект- ральном диапазоне, чем ваш). Так что вместо задачи по изме- рению температуры объекта перед вами встает задача опре- деления правильного значения коэффициента коррекции. И иногда вторая задача оказывается вовсе не проще пер- вой. Кроме этих радиационные пирометры имеют ряд иных существенных недостатков, их результаты зависят от: рассто- яния до измеряемого объекта, формы объекта, запыленности и загазованности промежуточной среды, наличия защитных стекол и непрозрачных объектов в поле зрения пирометра, боковых засветок при работе с крупноразмерными объекта- ми, переотражений измеряемым объектом излучения сильно нагретых объектов, расположенных рядом. Как видите, фак- торов, мешающих получению радиационными пирометрами точных результатов, набирается с десяток. Именно поэтому пользователи все чаще и чаще задумываются об использо- вании пирометров спектрального отношения, более дорогих, чем радиационные, но свободных от всех вышеперечислен- ных недостатков. ДОСТОИНСТВА ПИРОМЕТРОВ СПЕКРАЛЬНОГО ОТНОШЕНИЯ Пирометры спектрального отношения определяют темпера- туру объекта по отношению сигналов от двух приемников, работающих на разных длинах волн. Такой принцип измере- ния температуры позволяет избавиться от всех вышепере- численных недостатков, свойственных радиационным пиро- метрам. Зависимость сигнала от расстояния одинакова для обоих приемников пирометра спектрального отношения, поэ- тому на отношение сигналов она не влияет. Форма измеря- емого объекта, запыленность и загазованность промежуточ- ной среды одинаково влияют на сигналы с обоих приемников, оставляя неизменным их отношение. Пирометры спектраль- ного отношения нечувствительны к боковым засветкам от крупноразмерных объектов, наличию небольших непрозрач- ных объектов в поле зрения пирометра, к наличию защит- ных стекол, например стекол смотровых окон в вакуумных камерах. Отношение сигналов по-прежнему остается неиз- менным. Да и отличие значения ε измеряемого объекта от 1 чаще всего приводит к одинаковому уменьшению сигналов с обоих приемников. Поэтому отношение сигналов слабо зави- сит от ε, и корректный результат измерения получается без знания ε объекта. ДВА НЕДОСТАТКА ПИРОМЕТРОВ СПЕКТРАЛЬНОГО ОТНОШЕНИЯ Во-первых – цена. Пирометр спектрального отношения сложнее радиационного, априори состоит из большего чис- ла элементов, труднее калибруется. Отсюда и более высо- кие цены на них, за дополнительные узлы и дополнительную работу платить приходится больше. Во-вторых, как ни прискорбно, но излучательная способ- ность измеряемого объекта ε влияет на результаты измере- ний. Точнее, результат измерения пирометра спектрального отношения зависит не столько от величины излучательной способности или от ее изменения от объекта к объекту, сколь- ко от спектральной зависимости ε = f(λ). На рис.1 приведены спектральные зависимости излучательной способности ελ для 5 металлов: Fe, Ni, Cu, Ag, Co [1]. Отметим, что они характе- ризуют большинство металлов и их сплавов.Из рисунка вид- но, что все зависимости имеют однотипный характер – с рос- том длины волны спектральная излучательная способность ελ снижается. Это приводит к тому, что сигнал длинноволнового приемника пирометра спектрального отношения оказывается заниженным по сравнению с коротковолновым. По этой при- чине показания пирометра спектрального отношения оказы- ваются завышенными нередко более чем на 10%. Аналитически рассчитать величину погрешности, вызван- ной снижением ελ, возможно лишь в случае, если полосы пропускания приемников очень узкие, не более 10–12 нм. Однако, в последнее время подавляющее большинство пирометров спектрального отношения использует двухслой- ные фотодиодные структуры, верхний слой которых обла- дает максимальной чувствительностью в коротковолновой области спектра, нижний – в длинноволновой. Полосы спек- тральной чувствительности этих приемников составляют десятки и сотни нанометров, что исключает погрешность, обусловленную непостоянством ελ. Добавим к этому, что информация по ελ для большинства материалов, которые нужно измерять в промышленности, крайне скудна или вов- се отсутствует [2]. Именно по этим причинам вопрос о кор- рекции показаний пирометров спектрального отношения при измерении температуры объектов с излучательной спо- собностью, зависящей от длины волны, ранее не был решен. Долгое время пользователи мирились с этим, так как во многих случаях важно не столько точное знание измеряемой температуры, сколько соблюдение ее повторяемости в ходе технологического процесса. Рис.3 Переносные пирометры спектрального отношения ДИЭЛТЕСТ-ТЦхП 34 ФОТОНИКА 4/2009РУЧНАЯ КОРРЕКТИРОВКА И ЕЕ ПРОБЛЕМЫ Самым простым решением снижения этой погрешности ока- залось внедрение в пирометры спектрального отношения дополнительного регулировочного узла, который позволяет корректировать отношение сигналов от приемников излуче- ния примерно до полутора раз как в ту, так и в другую сторо- ну. Таким образом, зная реальную температуру измеряемо- го объекта, можно "подкрутить ручку" таким образом, чтобы показания пирометра были правильными. Однако работу по определению значений этих корректирующих коэффициентов производители пирометров негласно переложили на плечи пользователей. В то же время информации о том, каково зна- чение этого коэффициента для измеряемых пользователем объектов, в справочной литературе нет. И пользователь, как и раньше, должен снова крутить ручку, но теперь уже у пиро- метра спектрального отношения, который изначально пред- полагался свободным от подобных органов корректировки. Но и это еще не все. Дело в том, что даже если вы нашли значение этого корректирующего коэффициента для изме- ряемого вами металла при какой-то температуре, то исполь- зовать найденный коэффициент при измерении этого же металла, но при других температурах нельзя, т.к. это приве- дет к ошибочным результатам. Это утверждение иллюстри- руют данные таблицы 1 по измерениям меди. Реальная тем- пература объекта приведена в первой строке таблицы. Во второй приведены показания цветового пирометра при изме- рении температуры без использования корректирующего коэффициента (К = 1). Значения корректирующего коэффи- циента, необходимые для точного измерения соответствую- щей температуры, приведены в третьей строке (знак "минус" говорит о том, что корректировка необходима в сторону сни- жения). Как нетрудно заметить, коэффициенты отличаются друг от друга, причем тот, который соответствует температу- ре 1200°С, больше коэффициента, соответствующего темпе- ратуре 600°С, почти на 25%. Предположим, мы подобрали такое значение корректиру- ющего коэффициента, и пирометр правильно измеряет объ- ект при температуре 900°С. Четвертая строка таблицы пока- зывает, каковы будут показания пирометра при использова- нии этого коэффициента (К = -1,4113) при измерении других температур. Нетрудно заметить, что уже на температурах 800 и 1000°С погрешность измерения при использовании коэф- фициента, идеально подобранного для 900°С, составляет 2%. При измерении на 1200°С эта погрешность превышает 5%, а на 600°С – 6%. Это конечно меньше 11%-ной погрешности, которая была при измерении объекта при 1200°С нескоррек- тированным пирометром, но о том, что с коэффициентом, подобранным для 900°С, можно получать корректные резуль- ФОТОНИКА 4/2009 35 Пирометры спектрального отношения: преимущества, недостатки и пути их устраненияо п т и ч е с к и е и з м е р е н и я таты при измерении того же объекта, но при любых других температурах, надо забыть. ПРЕДПОСЫЛКИ ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ КОРРЕКЦИИ ПОКАЗАНИЙ Эти два серьезнейших недостатка снижения погрешности измерений цветовых пирометров путем ручной корректи- ровки отношения сигналов побудили разработчиков пиро- метров ДИЭЛТЕСТ найти другой способ коррекции, свобод- ный от указанных проблем. Он освобождает пользователя от самостоятельного определения коэффициентов, неизвестных ему заранее, и одинаково хорошо корректирует показания во всем диапазоне измерений пирометра. Суть его состоит в следующем. Как упоминалось выше, аналитический учет величины погрешности, вызванной непостоянством ελ, воз- можен лишь в том случае, если полосы пропускания прием- ников не более 10–12 нм. В остальных случаях расчеты могут быть проведены только численными методами. В то же время, благодаря развитию компьютерной техни- ки и программного обеспечения численные методы интег- рирования давно уже перестали быть проблемой. Поэтому численный расчет корректирующего сигнала для приемни- ка с известной спектральной характеристикой и материала с известной зависимостью излучательной способности ελ от длины волны не сложен. Типичные спектральные характе- ристики фотоприемника, используемого в пирометрах ДИЭ- ЛТЕСТ-ТЦ, приведены на рис.2. Расчет проводился в следу- ющей последовательности. Вначале определялась градуиро- вочная характеристика пирометра: (1) где Eλ(T) – спектральная плотность энергетической яркости МЧТ* , Вт×м3 ×ср; Sλ – спектральная чувствительность прием- ника (коротковолнового или длинноволнового), А/Вт; λ1 и λ2, λ3 и λ4 – нижняя и верхняя границы спектральной чувстви- тельности коротковолнового и длинноволнового приемни- ков, соответственно в метрах. Затем для значений температур от 600°С до 3000°С с шагом 1°С рассчитывалось значение спектрального отно- шения, получаемое при измерении объекта с выбранной ελ: (2) Получаемые при расчете по (2) значения Qобъекта (Т) использовались в качестве аргумента при расчете функции, обратной к (1). КОРРЕКЦИЯ ПОКАЗАНИЙ ПРИ ИЗМЕРЕНИИ ТЕМПЕРАТУРЫ МЕТАЛЛОВ В ПИРОМЕТРАХ ДИЭЛТЕСТ Краткие результаты расчета по формулам (1) и (2) сведены в табл.2. Видно, что для всех ελ, приведенных на рис.1, величи- ны корректирующих сигналов ведут себя схожим образом. Во всех случаях показания завышены. При этом для Fe, Ni и осо- бенно Co, характеризующихся не очень крутым спадом ελ с ростом λ, завышения на 1600°С не превышают 161°С. В то же время для Ag, а для Cu особенно, величины завышений зна- чений увеличиваются в 2 раза. Это обусловлено более силь- ным ослаблением сигнала длинноволнового приемника для Ag и Cu. Знание величины корре
|
