Измерение и контроль температуры рабочего пространства в методической печи

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»

Кафедра автоматизированных систем управления КУРСОВАЯ РАБОТА по дисциплине «Технические измерения и приборы»

на тему: «Измерение и контроль температуры рабочего пространства в методической печи»

Исполнитель: Карасик А.Е.

Руководитель: Гребенникова В.В.

Магнитогорск, 2014

• Введение
• 1. Технический процесс
• 1.1 Методические печи с подвижными балками
• 2. Методы и средства измерения температуры
• 2.1 Классификация средств измерения температуры контактным методом
• 2.2 Механические термометры
• 2.3 Электрические контактные термометры
• 2.4 Контроль температуры рабочего пространства методической печи
• 2.5 Поверка термоэлектрических термометров (термопар)
• 3. Выбор прибора
• 4. Схема подключения измерительного датчика
• Заключение
• Список используемой литературы

Правильный выбор и применение методов и средств контроля одного из важнейших параметров (температуры в металлургических печах) оказывает решающее влияние на характеристики их работы: производительность, обеспечение требуемого режима, качество готовой продукции, расход энергии.

Измеритель температуры характеризуется следующими основными признаками:

1) методом измерения (контактный, бесконтактный, комбинированный и т. д.);

2) величиной инструментальной погрешности;

3) быстродействием;

4) экономичностью;

5) наличием или отсутствием воздействием воздействия на объект измерения.

Контактные методы реализуются с помощью термоэлектрических термометров (ТТ) или термометров сопротивления; бесконтактные — пирометров излучения: ПСИ, ПЧИ и ПСО. Основными критериями при выборе различных методов являются точность измерения и достоверность получаемых данных.

Суммарная погрешность автоматического контроля определяется инструментальной ошибкой измерительного устройства и погрешностью метода в целом.

Первая зависит от свойств измерительного комплекта, вторая — от взаимодействия устройства и объекта контроля. Металлургическая печь является весьма сложным объектом контроля температуры.

Внешний теплообмен осуществляется за счет теплоотдачи излучением и конвекцией, которые определяются рядом параметров: коэффициентом теплоотдачи бкон, температурами металла Тм, газа Тг, кладки Ткл, степенями черноты ем, кладки екл, газа ег. Указанные параметры в агрегатах практически не контролируются. Для управления процессами в печи необходимо знать температуру металла (либо распределение температур в случае массивной заготовки), кладки и газа.

1. Технический процесс

Горячая прокатка непрерывнолитых слябов, предназначенных для получения из них жести, осуществляется в ЛПЦ-10 ММК. Цех включает: отделение приема литых слябов, непрерывный широкополосный стан (НШПС) 2000, отделение отделки горячекатаных рулонов.

НШПС 2000 состоит из участка загрузки слябов, участка нагревательных печей, черновой и чистовой групп клетей, промежуточного рольганга между ними, а также уборочной линии стана (рис.1).

Рисунок 1 — Схема расположения стана 2000

1 — приемный рольганг; 2 — методические печи; 3 — черновой окалиноломатель; 4 — клеть дуо; 5 — универсальные клети кватро; 6 — промежуточный рольганг; 7 — летучие ножницы; 8 — черновой окалиноломатель; 9 — клети непрерывной чистовой группы; 10 — первый отводящий рольганг; 11 — второй отводящий рольганг; 12 — первая группа моталок; 13 — вторая группа моталок; 14 — весы

Участок нагревательных печей состоит из трех методических печей 2 с шагающими балками, загрузочного рольганга перед каждой печью, сталкивателей слябов, приемного рольганга 1, приемников слябов из печей. Производительность каждой печи 460 т/ч. Черновая группа клетей состоит из вертикального окалиноломателя 3, клети дуо 4, пяти универсальных клетей кватро 5. Из которых три последние объединены в непрерывную подгруппу. Промежуточный рольганг 6 оснащен тепловыми экранами типа энкопанель и устройствами разделки недокатов.

Чистовая группа стана включает летучие ножницы 7, чистовой роликовый окалиноломатель 8, семь клетей кватро 9, оснащенных гидронажимными устройствами, осевой сдвижкой рабочих валков и системами противоизгиба. Все межклетевые промежутки оснащены устройствами ускоренного охлаждения прокатываемых полос. За последней клетью стана начинается отводящий рольганг 10 с дубширующими устройствами перед каждым участком моталок. Уборочная линия включает два участка моталок 12, 13. На каждом из участков имеется группа из трех моталок. Участки моталок оборудованы тележками съемников рулонов, кантователями рулонов, транспортирующими конвейерами с подъемно-поворотными столами, весами 14, рулоновязальными машинами и маркировщиками рулонов.

1.1 Методические печи с подвижными балками

Методические печи с шагающими балками (рис.2), переносящими слябы к окну выдачи нагретого металла по направлению, противоположному движению продуктов сгорания топлива, относятся к числу агрегатов непрерывного действия, потребляющих более половины энергии, расходуемой на производство тонких горячекатаных полос.

Рисунок 2 — Методическая печь с шагающими балками, с торцевой загрузкой и выдачей

1 — рольганг загрузки; 2 — сталкиватель; 3 — рольганг выдачи; 4 — машина безударной выдачи; 5 — торцевые горелки; 6 — боковые горелки

Для нагрева слябов до температуры прокатки 1200 — 1300 °C применяются методические печи с шагающими балками. Под печи состоит из шести рядов неподвижных (стационарных) и четырех рядов подвижных (шагающих) балок, имеющих испарительное охлаждение. Подвижные балки могут совершать движения вверх и вниз, вперед и назад. При движении вверх подвижные балки приподнимают заготовки над неподвижными на высоту 100 мм. При движении вперед заготовки перемещают по печи на 450 мм. При этом первая со стороны выдачи заготовка выталкивается подвижными балками из печи, а очередная заготовка, находящаяся ранее на загрузочном столе, вносится в печь. При движении балок вниз заготовки укладываются на неподвижную часть пода, оказываясь перемещенными вперед на один шаг; при этом подвижные балки опускаются ниже уровня пода также примерно на 100 мм. При движении назад подвижные балки устанавливаются в положение, из которого они вновь могут захватить в печь очередную заготовку. Интервал времени между окончанием каждого движения шагающих балок и началом следующего составляет 0,5 с.

Таким образом, с помощью шагающих балок выполняются все основные операции по загрузке, перемещению по печи и выгрузке заготовок. Печи с шагающим подом обладают преимуществами по сравнению с толкательными:

а) возможность располагать заготовки на некотором расстоянии друг от друга, благодаря чему металл нагревается с трех сторон, что значительно ускоряет и улучшает качество нагрева, а также в связи с сокращением времени пребывания металла в печи уменьшает окалинообразование;

б) возможность нагрева металла различной толщины без постепенного перехода от большей толщины к меньшей, и наоборот;

в) возможность при ремонтных работах и других длительных остановках (например, на праздничные дни) легко разгрузить печь, в то время как разгрузка печей с толкателем — сложная, требующая затраты большого количества ручного труда;

г) при вынужденных кратковременных остановках нагреваемый металл из самой горячей зоны можно вернуть в зону подогрева, тем самым исключив большое окалинообразование.

Печи с шагающими балками позволяют достигать лучшего качества нагрева. Нижняя поверхность сляба не повреждается, что особенно важно для нагрева слябов, предназначенных для получения тонких полос. Охлаждение сляба от подводных труб, вызывающее разнотолщинность по длине прокатываемой полосы, незначительно, так как участки сляба меньшее время контактируют с водоохлаждаемыми подовыми опорами, чем в толкательных печах. [2]

2. Методы и средства измерения температуры

2.1 Классификация средств измерения температуры контактным методом

В зависимости от физических свойств, положенных в основу принципа действия, наиболее распространенные СИ температуры можно разделить на следующие группы:

1. Жидкостно-стеклянные термометры;

2. Манометрические термометры;

3. Термопреобразователи сопротивления;

4. Термоэлектрические преобразователи;

5. Шумовые термометры;

6. Температурные индикаторы;

Для научных исследований и измерения низких температур применяются следующие виды термометров:

1. Ядерные квадрупольные резонансные;

2. Ядерные магнитные резонансные;

3. Магнитные;

4. Ёмкостные

5. Магнитоопические и др.

2.2 Механические термометры

Механические термометры основаны на явлении теплового расширения тел. Эти тела могут быть твердыми, жидкими или газообразными. Механические термометры отличаются надежностью, точностью, низкой стоимостью и простотой обслуживания. Считывание показаний с них, как правило, осуществляется на месте измерения. Однако с помощью механоэлектрического или механогидравлического преобразователя можно передать сигнал на ограниченное расстояние. В машиностроении применяют биметаллические, жидкостные и газовые термометры.

Чувствительный элемент биметаллических термометров изготавливается из пластины, состоящей из двух или более слоев разнородных металлов, сваренных между собой по всей плоскости соприкосновения. Пластина может быть предварительно деформирована. При нагреве биметаллической пластины из-за различия коэффициентов линейного расширения ее слоев возникает деформация изгиба, пропорциональная изменению температуры. На рисунке 1 показаны наиболее распространенные конструктивные исполнения чувствительных биметаллических элементов. Варианты а) и б) используются главным образом в качестве реле температуры, виг — для непосредственного отсчета показаний термометров. Для этого один конец чувствительного элемента закрепляется, а второй соединяется с передаточным или непосредственно показывающим устройством. Диапазон измерения биметаллических термометров лежит в интервале от — 50 до+600?С, причем, от 500 до 600 °C термометр можно использовать только кратковременно. Погрешность измерения — ±1 до ±3.

Рисунок 1 — Биметаллические измерительные преобразователи температуры В жидкостных термометрах измеряемой величиной, характеризующей температуру, является изменение объема термометрической жидкости. Термобаллон, в котором находится основная часть жидкости, изготавливается из стекла или стали.

К термобаллону подключен капилляр диаметром 0,1 — мм. У стеклянного термометра капилляр находится рядом со шкалой непосредственного наблюдения.

У жидкостных манометрических термометров капилляр подключен к манометру, показания которого пропорциональны температуре.

Длина капилляра в таких термометрах может достигать 60 м. Чувствительный элемент, капилляр и указатель в них образуют замкнутую, неделимую, герметичную термосистему, которая монтируется и демонтируется только целиком. Диапазон измерения термометров зависит от свойств термометрической жидкости:

Таблица 1 — Свойства термометрической жидкости

Погрешности измерения температуры при помощи жидкостных механических термометров обусловлены различием температур жидкости в термобаллоне и в капилляре и зависят также от длины капилляра.

Для повышения точности в жидкостных манометрических термометрах применяют компенсационный капилляр.

Погрешность в таком случае уменьшается с±2 до ±0,5%.

Основными недостатками механических термометров являются значительная инерционность и невозможность объединения с другими информационными сигналами для дальнейшей обработки.

Поэтому в машиностроении температуру измеряют в основном термометрами, принцип действия которых основан изменении электрических свойств веществ при изменении температуры.

2.3 Электрические контактные термометры

методический печь балка термометр

Все виды электрических контактных термометров разделяются на две группы: термометры сопротивления, в которых с изменением температуры изменяется активное сопротивление чувствительного элемента, и термоэлектрические термометры (термопары), где при изменении температуры первичного преобразователя изменяется его термоЭДС.

У металлических проводников сопротивление обычно возрастает с повышением температуры, а у полупроводниковых падает.

Чаще всего применяются платиновые или медные термометры сопротивления, каждый из которых обладает номинальным сопротивлением R ₀ при 0 °C в пределах от 1 до 500 Ом. При температурах выше 0 °C зависимость сопротивления платиновых термометров от температуры имеет вид

где A = 3,9685· 10^-3; B= -5,847*10 ^-7;

Табсолютная температура, К.

Область применения технических платиновых термометров (-260). 1 100 ?С. Температурная зависимость сопротивления медных термометров

где a =4,28*10 ^-3. Медные термометры могут работать в интервале температур от -50 до +200 ?С.

В чувствительных элементах платиновых и медных термометров сопротивления тонкая проволока (0,05- 0,10 мм) меняется на каркас изоляционного материала, например кварца, либо проволочная спираль помещается в керамический каркас, а спираль заполняется изолирующим порошком и обеспечивается герметизация чувствительного элемента.

Полупроводниковые термометры сопротивления выпускаются для измерения температуры в диапазоне от -200 до +300 °С. Обычно каждый такой термометр требует индивидуальной градуировки. Зависимость сопротивления полупроводниковых термометров от температуры приближенно описывается выражением

— сопротивление при эталонной температуре; R_T — сопротивление при измеряемой температуре Т; В — параметр, зависящий от материала преобразователя (В = 3 000 — 4 000К); Т — абсолютная температура объекта. К.

Рисунок 2 — Схема измерительной цепи металлического термометра сопротивления Хотя большая нелинейность характеристики преобразователя является нежелательной из-за усложнения измерительной схемы терморезисторов, тем не менее полупроводниковые термометры сопротивления получили распространение в лабораторной и производственной практике благодаря высокой чувствительности, простоте, прочности, транспортабельности и возможности использования без дополнительного усилителя. Поскольку сопротивление полупроводниковых термометров лежит в интервале от 1 кОм до 1 МОм, то можно пренебречь изменением сопротивления клемм и соединительных проводов. Чувствительные элементы полупроводниковых термометров состоят главным образом из смесей окислов металлов, которые при высокой температуре сплавляются в форме маленьких пластинок, стерженьков или шариков. Благодаря малым размерам обеспечиваются хорошие динамические свойства таких термометров.

Для измерения сопротивления термометров используются автоматические мосты и логометры, питаемые постоянным, а иногда и переменным током. На рис. 38 показана схема измерительной цепи металлического термометра сопротивления с трехпроводной линией связи. Три плеча моста составляют манганиновые резисторы R1, R2 и R3. Четвертое плечо состоит из преобразователя термометра RК и подгоночных резисторов (на схеме не показанных). Последовательное соединение каждого из подводящих проводов соответственно с резисторами R1и R3 позволяет автоматически компенсировать влияние колебаний их температуры на результат измерения. Показания логометра, рамки которого 1 и 2 подключены к двум точкам моста непосредственно и к одной через резистор R4, пропорциональны изменению сопротивления первичного преобразователя температуры RK.

Погрешность металлических термометров сопротивления в зависимости от исполнения составляет от ±0,5% до ±3%, а у полупроводниковых0,5%. За счет специального отбора и индивидуальной градуировки можно снизить погрешность полупроводниковых термометров сопротивления до ±0,01 °С. Принцип действия термоэлектрического термометра (термопары)основан на термоэлектрическом явлении, в результате которого в цепи, состоящей из двух разнородных проводников, возникает термоЭДС, зависящая от температуры в местах соединений этих проводников. Для измерения температуры одно из соединений разнородных проводников (рабочие концы) помещают в среду, температуру которой измеряют, а температура другого соединения (свободных концов) известна. ТермоЭДС термоэлектрического термометра не изменится, если в его цепь будет включен третий проводник или измерительный прибор и температура мест его соединения будет одинаковой.

Свободные концы термоэлектрического термометра нужно располагать в месте, удобном для стабилизации или измерения температуры. Для этого применяют удлиняющие (компенсационные) провода, которые присоединяют к термоэлектродам.

Зависимость между термоЭДС и разностью температур рабочих и свободных концов в общем случае является нелинейной и может быть аппроксимирована уравнением третьей степени. Если сузить диапазон измеряемых температур, то характеристики многих термопар могут быть линеализированы без большого ущерба для точности измерений.

Зависимость термоЭДС от измеряемой температуры для наиболее употребительных пар материалов, характеристики которых приведены в таблице 2, показана на рисунке 3 (температура свободных концов 0°С).

Если контрольная температура свободных концов отличается от нуля и поддерживается равной, например 20 °C, то в замеренное значение термоЭДС. следует внести поправку, которая соответствует отклонению контрольной температуры t _о от 0 °C. Положительным считается тот электрод, от которого идет ток к спаю термопары при t >t ₀.При обозначении термопары на первом месте указывается материал положительного электрода. Кроме указанных в таблице 2, применяются также железоконстантановые (диапазон измерения от 250 до +700 °С) и медьконстантановые (от 250до +400 °С) термоэлектрические преобразователи.

Таблица 2 — Характеристики термоэлектрических преобразователей

Рисунок 3 — Характеристика наиболее употребительных термоэлектрических преобразователей:

1. хромель-копель;

2. железо-константан;

3. хромель-алюмель;

4. платинородий-платина Погрешность измерения температуры составляет от 0,25%для преобразователей типа ТПП и до 0,8% для ТХА.

Кроме стандартных термоэлектрических термометров, в лабораторной практике и при исследованиях находят применение и нестандартные. Но все нестандартные средства измерения температур требуют индивидуальной градуировки.

На рисунке 4 приведена схема измерения температуры в зоне резания при помощи так называемой однорезцовой и двухрезцовой естественной термопары.

Рисунок 4 — Схема измерения температуры в зоне резания при помощи естественных термопар Переключение режимов работы производится трехпозиционным переключателем 5. Для однорезцовой термопары замыкаются контакты, а — а или с — с. Тогда термоЭДС, образующаяся в месте контакта стружки из материала детали 1 и передней грани режущей пластинки резца 2 из стали Р18 (или резца 3 из твердого сплава Т15К6), измеряется, усиливается и регистрируется прибором 6. Для снятия термоЭДС с вращающейся детали применяется ртутный токосъемник 7 с гибким вращающимся электродом. При замыкании контактов с — с образуется естественная двухрезцовая термопара Р18 — Т15К6. При замыкании контактов, а — а необходима изоляция 4 резца и детали, а для двухрезцовой термопары достаточно изолировать только резцы. Но при двухрезцовой обработке трудно создать одинаковые температуры в зоне резания обоих резцов, поскольку их материалы обладают разной теплопроводностью. Эксперименты показали, что различие в показаниях однои двухинструментных термопар составляет 7 — 9%. Правильное тарирование естественных термопар является важной проблемой, поскольку от его качества зависит достоверность результатов измерений. При тарировании желательно создать условия контакта, близкие к реальным, что особенно важно для инструмента, снабженного пластинками из твердых сплавов. В ГДР предложен способ комбинированного тарирования (патент 105 662) (рисунок 5).

Рисунок 5 — Схема комбинированного тарирования естественной термопары: а — схема установки; б — тарировочный график Установка включает геометрически подобные резцы 1(основной) и 4 (вспомогательный), изготовленные из разных материалов. В схему входит токосъемник 3, переключатель 5и измерительный прибор 6. Тарирование производят в несколько этапов. Вначале в патроне станка закрепляют образец 2 из сравнительно легкоплавкого материала, например алюминия, температура плавления t ₁, которого известна. Переключатель 5 установлен в положение К2. Скорость резания плавно увеличивают до тех пор, пока в зоне резания материал обрабатываемого образца не начнет плавиться. ЭДС термотока E ₁ фиксируется измерительным прибором 6. Если предположить в первом приближении, что зависимость между Е и t линейна, а при t = 0 °C E = 0, то можно построить тарировочный график 7 двухрезцовой термопары. Второй этап тарировки состоит в том, что в патрон станка устанавливают новый образец из испытываемого материала. При определенном режиме резания, используя двухрезцовую термопару, замеряют ЭДС Е ₂, по которой с помощью графика определяют температуру в зоне резания t₂. Затем вспомогательный резец отводится, а переключатель 5 ставится в положение К1. Основной резец 1 продолжает резание в прежнем режиме, и на третьем этапе прибор фиксирует новое значение ЭДС E₃, измеренное новой однорезцовой естественной термопарой резец 1 — обрабатываемый материал. Это значение ЭДС соответствует температуре t₂, так как условия резания для резца 1 не изменились. Полученная таким образом точка С позволяет построить тарировочный график 8 для однорезцовой термопары.

На рисунке 6 показана цепь однорезцовой естественной термопары, позволяющей снимать показания без специального токосъемника.

Рисунок 6 — Схема однорезцовой естественной термопары Для этого на заднюю грань резца 1 наносится изоляционный слой, а на него — токопроводящий слой 3. ЭДС естественной термопары, образующейся в процессе резания между инструментом 1 и деталью 2, регистрируется измерительным прибором постоянного тока 4.

Известен способ измерения температуры в зоне шлифования при помощи полуискусственной термопары (рисунок 7), которая образована двумя частями 1 и 2 шлифуемого на плоскошлифовальном станке образца и тонкой копелевой проволочкой 3, изолированной от образца тонкими пластинками слюды 4 (0,02 мм). Расплющенный конец проволоки (рисунок 7, б) защемляется между двумя половинками образца в верхней части клинового разъема. Спай образуется при шлифовании за счет пластического деформирования поверхностного слоя и выходящей на поверхность части проволоки. Сигнал через усилитель 6 попадает на регистрирующее устройство 5 (например, осциллограф).

Рисунок 7 — Схема измерения температуры в зоне шлифования при помощи полу искусственной термопары: асхема установки; б — схема заделки термоэлектрода; в — термоэлектрод Полуискусственная термопара может быть получена и при установке одного из проводников в шлифовальный инструмент (рисунок 8). Между двумя плотно притертыми друг к другу половинками шлифовального круга 4и 2укладывается фольга 3толщиной 0,01 — 0,05 мм, которая образует с деталью 1 полуискусственную термопару с тонким спаем, равным по длине ширине зоны шлифования (1,5 — 3,0 мм). Сигнал термопары, соответствующий средней температуре зоны контакта, через ртутный токосъемник 5попадает в усилитель 6 и затем в регистрирующий прибор 7. Преимуществом такой термопары является непрерывность и устойчивость сигнала. [2]

Рисунок 8 — Схема измерения температуры в зоне шлифования с термоэлектродом

2.4 Контроль температуры рабочего пространства методической печи

Термопары широко применяют для измерения температуры различных объектов, а также в автоматизированных системах управления и контроля. Измерение температур с помощью термопар получило широкое распространение из-за надежной конструкции датчика, возможности работать в широком диапазоне температур и дешевизны.

Широкому применению термопары обязаны в первую очередь своей простоте, удобству монтажа, возможности измерения локальной температуры.

Они гораздо более линейны, чем многие другие датчики, а их нелинейность на сегодняшний день хорошо изучена и описана в специальной литературе. К числу достоинств термопар относятся также малая инерционность, возможность измерения малых разностей температур. Термопары незаменимы при измерении высоких температур (вплоть до 2200°С) в агрессивных средах. Термопары могут обеспечивать высокую точность измерения температуры на уровне ±0,01^°С. Они вырабатывают на выходе термоЭДС в диапазоне от микровольт до милливольт, однако требуют стабильного усиления для последующей обработки.

Таблица 3 — Градуировка термопар

Примечание: НСХ — номинальные статические характеристики преобразования по международной классификации ТСС.

Термопары относятся к классу термоэлектрических преобразователей, принцип действия которых основан на явлении Зеебека: если спаи двух разнородных металлов, образующих замкнутую электрическую цепь, имеют неодинаковую температуру (Т не равно Т2), то в цепи протекает электрический ток (рисунок 1). Изменение знака у разности температур спаев сопровождается изменением направления тока.

Рисунок 9 — Явление Зеебека

Под термоэлектрическим эффектом понимается генерирование термоэлектродвижущей силы (термоЭДС), возникающей из-за разности температур между двумя соединениями различных металлов и сплавов.

Таким образом, термопара может образовывать устройство (или его часть), использующее термоэлектрический эффект для измерения температуры. В сочетании с электроизмерительным прибором термопара образует термоэлектрический термометр. Измерительный прибор или электронную измерительную систему подключают либо к концам термоэлектродов (рисунок 10, а), либо в разрыв одного из них (рисунок 10, б).

Рисунок 10 (а, б) — Подключение термопары к измерительному прибору

В местах подключения проводников термопары к измерительной системе возникают дополнительные термоЭДС. В результате их действия на вход измерительной системы фактически поступает сумма сигналов от рабочей термопары и от «термопар», возникших в местах подключения (рисунок 11).

Рисунок 11 — Принцип работы термопары

Существуют различные способы избежать этого эффекта. Самым очевидным из них является поддержание температуры холодного спая постоянной.

На практике при измерении температур широко используется техника «компенсации холодного спая»: температура холодного спая измеряется другим датчиком температуры, а затем величина термоЭДС холодного спая программно или аппаратно вычитается из сигнала термопары (рисунок 12). Места подключения термопары к измерительной системе должны иметь одинаковую температуру, то есть находиться в изотермальной зоне. Кроме того, в схеме с компенсацией холодного спая в этой же зоне должен находиться и датчик температуры холодного спая. Разработчик должен учитывать эти требования при конструировании измерительной системы.

Рисунок 12 — Техника компенсации холодного спая

Основные характеристики выпускаемых промышленностью термопар приведены в таблице 3 (ГОСТ 6616−94 «Преобразователи термоэлектрические»).

На рисунке 13 представлены зависимости ЭДС от температуры наиболее распространенных типов термопар, у которых температура холодного спая поддерживается равной 0 °C. Из него видно, что термопары типа Е наиболее чувствительны и развивают наибольшее выходное напряжение при одном и том же изменении температуры, чем другие. С другой стороны, термопары типа S являются наименее чувствительными. К сожалению, у большинства термопар эти зависимости в некоторых диапазонах температур носит нелинейный характер.

Рисунок 13 — Зависимости ЭДС от температуры наиболее распространенных типов термопар

При выборе термопары для производства замеров температуры в некотором диапазоне следует выбирать ту термопару, коэффициент линейности которой изменяется менее других в рамках этого диапазона. Для достижения высокой точности измерений термопарного термометра во всем диапазоне рабочих температур необходима его калибровка. В ГОСТ 50 431–92 «Термопары» приведены вид и порядок полинома, а также коэффициенты полиноминальной аппроксимации зависимости выходного напряжения термопар от температуры, которые определяются по градуировочным таблицам для каждого типа термопар. В таблице 4 приведены особенности и области применения некоторых типов термопар.

Таблица 4 — Особенности применения термопар

В зависимости от конструкции и назначения различают термопары погружаемые и поверхностные; с обыкновенной, взрывобезопасной, влагонепроницаемой или иной оболочкой (герметичной или негерметичной), а также без оболочки; обыкновенные, вибротряскоустойчивые и ударопрочные; стационарные и переносные и т. д. Внешний вид некоторых конструкций термопар представлен на рисунке 15.

Основное применение термопары — электронные термометры.

Отечественная промышленность выпускает электронные термометры для измерения температуры контактным способом. Так, например, одно из отечественных предприятий наладило производство серии измерителей температуры, каждый из которых состоит из электронного блока и набора сменных датчиков температуры, представляющих собой стандартные хромель-алюмелевые термопары (тип К) в различных конструктивных исполнениях. Серия состоит из трех приборов: ETI-2OO1, ETI-2OO2 и ETI-2OO3 (таблице 3). Прибор ETI-2001 имеет 2 диапазона температур, переключение между которыми выполняется кнопками на лицевой панели. Узкий диапазон температур характеризуется более высоким разрешением и точностью. Приборы ETI-2OO2 и ETI-2OO3 имеют только по одному диапазону. Приборы имеют кнопку HOLD, с помощью которой можно зафиксировать измеренное значение температуры на индикаторе.

Рисунок 15 — Внешний вид некоторых конструкций термопар

Таблица 5

На рисунке 16 показан внешний вид контактного термометра ЕТ1−2001, в комплект поставки которого входят термопары: поверхностная (для измерения температуры поверхности твердых тел — tmax = 1000 °C, погружная (для измерения температуры в объеме сыпучих и жидких веществ — tmax = 25О°С и бескорпусная (для измерения температуры воздуха и других газов — tmax = 250 °C.

Рисунок 16 — Внешний вид контактного термометра ЕТ1−2001

На рисунке 17 показан внешний вид миниатюрного термометра (Thermapen™) широкого применения. Высоконадежный и удобный в обращении. Оснащен встроенным складывающимся зондом. Диапазоны измерения температуры: ~49,9…199,9°С. Существуют не только специализированные приборы с термодатчиками для измерения температуры, но и универсальные мультиметры с функцией измерения температуры.

Рисунок 17 — Внешний вид миниатюрного термометра (Thermapen™)

2.5 Поверка термоэлектрических термометров (термопар)

Поверка термоэлектрических термометров, выпускаемых по стандарту ГОСТ 6616–94 «Преобразователи термоэлектрические. Общие технические условия» проводится в соответствии со стандартом ГОСТ 8.338−2002 «Государственная система обеспечения единства измерений. Преобразователи термоэлектрические. Методика поверки». Методика поверки заключается в прямом или поэлектродном сличении рабочих термопар с образцовой термопарой в печи и oценке отклонения ее характеристики от НСХ. Серьезным недостатком методики ГОСТ 8.338 является то, что при периодической поверке термопары не учитывается возможность возникновения термоэлектрической неоднородности. Если глубина погружения термопары в сличительную печь отличается от рабочей глубины погружения, то участок наибольшего температурного перепада, в котором возникла неоднородность попадает при поверке в зону равномерной температуры и реальная погрешность термопары не определяется. Такая периодическая поверка может привести к ложным результатам, причем разница ТЭДС в рабочих условиях и при поверке термопар типа ТХА может достигать 5 -10 °С. Необходимо переработать стандарт, указав на данную проблему, и ввести в стандарт проверку термоэлектрической неоднородности. Поверка эталонных термоэлектрических термометров типов ПП и ПР, выпускаемых по ГОСТ Р 52 314−2005 «Преобразователи термоэлектрические платинородий-платиновые и платинородий-платинородиевые эталонные 1, 2 и 3-го разрядов. Общие технические требования» проводится по ГОСТ Р 8.611−2005 «Государственная система обеспечения единства измерений. Преобразователи термоэлектрические платинородий-платиновые эталонные 1, 2 и 3-го разрядов. Методика поверки». Поверка проводятся методом измерений в реперных точках МТШ-90 и сличением в печах. Ни в один из стандартов, описывающих методы поверки термоэлектрических термометров пока не введена оценка неопределенности измерений. [2]

3. Выбор термоэлектрических термометров

Тип S (платнородий-платиновая термопара):

*Рекомендуемая максимальная рабочая температура 1350 °C;

*Кратковременное применение возможно при 1600 °C;

*Загрязняется при температурах выше 900 °C водородом, углеродом, металлическими примесями из меди и железа. При содержании железа в платиновом электроде на уровне 0,1%, ТЭДС изменяется более, чем на 1 мВ (100°С) при 1200 °C и 1,5 мВ (160 °С) при 1600 °C. Такая же картина наблюдается при загрязнении медью. Таким образом, термопары нельзя армировать стальной трубкой, или следует изолировать электроды от трубки газонепроницаемой керамикой.

*Может применяться в окислительной атмосфере.

*При температуре выше 1000 °C термопара может загрязняться кремнием, который присутствует в некоторых видах защитных керамических материалов. Важно использовать керамические трубки, состоящие из высокочистого оксида алюминия.

*Не рекомендуется применять ниже 400 °C, т.к. ТЭДС в этой области мала и крайне не линейна.

Тип R (платинородий-платиновая термопара):

* Свойства те же, что и у термопар типа S. [2]

4. Схема подключения измерительного датчика

На рисунке 18 изображена схема подключения термопары к методической печи. Данная схема использует 6 аналоговых вводов безопасности и имеет тип: 6ES7 336−4GE00.

Рисунок 18 — Схема подключения термопары к методической печи

Заключение

Температура рабочего пространства определяет процесс нагрева металла и является в настоящее время основной информацией для управления и оценки теплового состояния отдельных зон и камер печи. В подавляющем большинстве случаев для её измерения используются термоэлектрические термометры (ТТ): платиновой группы для высокотемпературных методических печей, нагревательных колодцев и хромель-алюмелевые для термических печей. При выборе мест установки зонального ТТ необходимо, чтобы его показания отвечали ряду требований:

1) Он должен регистрировать максимальные для данной зоны температуры, что обеспечивает получение информации, необходимой как с точки зрения процесса теплообмена, так и для исключения разрушения кладки;

2) ТТ должен с минимальным запаздыванием и достаточно большим коэффициентом передачи реагировать на изменение тепловой нагрузки зоны и темпа продвижения металла;

3) На показания ТТ не должны оказывать влияние такие факторы, как открывание боковых окон, заслонки на выдаче и т. п.

Список используемой литературы

1. Беленький А. М., Бердышев Ф. М. Автоматическое управление металлургическими процессами: Учебник для вузов, 2-е изд. перераб. и доп. — М.: «Металлургия», 2009. — 384с.

2. Беленький А. М., Дубинский М. Ю., Ладыгичев М. Г., Лисиенко В. Г., Щелоков Я. М. Измерение температуры: теория, практика, эксперимент: Справочное издание: В 3-х томах. Т.2. Измерение температуры в промышленнсти и энергетике /Под ред. А. М. Беленького, В. Г. Лисиенко. — М.:Теплотехник, 2007. — 736 с.

3. Дьяконов.В.Темопары и их применение/В.Дьяконов//Ремонт и сервис.-2010.-№ 2.-С.61−63