Специализированные инфракрасные пирометры для контроля технологических процессов

Одним из важнейших параметров технологических процессов во иногих отраслях промышленности является температура. По оценкам зарубежных и отечественных специалистов технические измерения температуры составляют от 40 до 50% от общего числа всяких измерений [1]. Поэтом}' качество температурного контроля часто эбусловливает качество технологического процесса. В связи с этим важными являются выбор практичных и достоверных методов контроля температуры применительно к различным производствам, создание устройств, пригодных для практического использования в условиях эксплуатации основного технологического оборудования.

В настоящее время всё более широкое применение находит способ бесконтактного контроля температуры, основанный на регистрации теплового излучения тел с помощью пирометров. Основное достоинство этих приборов заключается в том, что для их работы, не требуется непосредственного контакта с объектом контроля. Следовательно, во всех случаях, когда контакт средства контроля и объекта контроля невозможен или нежелателен, для контроля температуры могут быть использованы только пирометры. К таким случаям относится контроль температуры движущихся объектов, например, стенок вращающихся печейобъектов, удалённых на значительные расстоянияэлементов оборудования, находящихся под высоковольтным потенциалом, химически агрессивных сред и т. п.

На сегодняшний день отечественными и зарубежными производителями предлагается большое количество различных моделей пирометров, которые позволяют эффективно решать задачи теплового контроля в производстве. Однако, как показывает проведённый анализ, существует целый ряд технологических процессов, характеризующихся повышенной температурой, влажностью и запылённостью, в условиях которых ни один из уже имеющихся пирометров не отвечает требованиям высокой функциональной надёжности. К таким технологическим процессам прежде всего следует отнести цементное производство и производство технического углерода, производство резинотехнических изделий и другие процессы, в которых эффективный тепловой контроль возможен лишь при использовании бесконтактных средств. Кроме того следует отметить индивидуальность возможностей применения этих средств.

Таким образом разработка простых и функционально надёжных пирометров, работоспособных в условиях эксплуатации основного технологического оборудования производств, в каждом конкретном случае, обусловленном именно применением бесконтактного контроля, является актуальной задачей.

Целью данной работы является разработка устройств бесконтактного контроля температуры для определённых технологических процессов и работоспособных в условиях ведения этих процессов.

Для реализации поставленной цели требуется решение следующих задач:

— обоснование технических требований к разрабатываемым приборам исходя из поставленных задач контроля температуры;

— обоснование технических требований и выбор приёмника инфракрасного (ИК) излучения, наиболее пригодного для практического использования;

— экспериментальное исследование основных параметров выбранного фотоприёмника;

— разработка электронной схемы включения фотоприёмника и оптимизация её параметров на основании полученных экспериментальных данных;

— исследование вопросов расширения функциональных возможностей пирометра;

— обоснование условий применения пирометров в технологических процессах;

— разработка методов практического использования средств ИК-контроля в производстве.

Для решения поставленных задач в работе используются экспериментальные методы исследования основных параметров ютоприёмников, а также исследование характеристик разработанных ирометров с применением модели абсолютно чёрного тела. Для теоре-ических исследований применялись методы теории цепей и сигналов, гории автоматического регулирования (критерий устойчивости Гурви-а), теории обыкновенных дифференциальных уравнений, реобразование Лапласа, методы численного моделирования, оптими-щии и обработки экспериментальных данных с применением ЭВМ и^{временных} пакетов программ. Так же использованы методики, пред-агаемые Госстандартом РФ.

Научная новизна работы заключается в следующем: на основании статистической обработки данных экспериментальных исследований температурных зависимостей темпового сопротивления и чувствительности РЬ8е-фоторезисторов впервые получено функциональное описание усреднённых параметров для этого типа фотоприёмниковпредложен метод термостабилизации основных параметров фотоприёмниковпредложена базовая электронная схема как средство стабилизации основных параметров РЬ8е-фоторезисторовразработана математическая модель базовой схемы пирометра, на основе которой впервые теоретически показана возможность использования температурной зависимости темнового сопротивления РЬ8е-фоторезистора для компенсации его интегральной чувствительностиполучены экспериментальные данные, позволяющие определить условия применимости предложенных методов и средств термостабилизациипредложено использование в разработанных конструкциях полых световодовисследованы и экспериментально подтверждены возможности применения полых металлических световодовисследованы и решены вопросы отстройки от различного рода помех.

— 1.

Практическая ценность полученных результатов:

1. На основании результатов исследований было разработано три устройства:

— стационарный пирометр-датчик для систем автоматики;

— переносной пирометр (в нескольких модификациях);

— датчик пламени.

2. Результаты исследования полых световодов применены в моделях высокочувствительного пирометра со световодом и сканирующего пирометра.

3. По результатам экспериментальных и теоретических исследований разработаны методики практических расчётов параметров элементов схем и настройки параметров термокомпенсации.

4. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработано несколько вариантов конструкций специализированных пирометров.

Реализация результатов работы в промышленности.

1. Стационарные пирометры внедрены в опытную эксплуатацию на Омских керамзитовом и асфальтобетонном заводах, на Красноярском цементном заводе.

2. Переносные приборы внедрены на Красноярском кирпичном и Коркинском цементном заводах, Омском кирпичном заводе № 1.

3. Полые световоды применены в пирометре, внедрённом на Омском заводе технического углерода и в сканирующих пирометрах, изготавливаемых ООО «ИНТЕКС».

4. Датчики пламени применены в устройствах, реализуемых НПЦ «Фотон».

5. Схемотехнические и конструктивные решения используются в устройствах, изготавливаемых Омским опытным заводом «Эталон».

Основные положения выносимые на защиту:

1. Полученные результаты экспериментальных исследований основных параметров РЬ8е-фоторезисторов.

2. Метод стабилизации основных параметров пирометров на основе РЬ8е-фоторезисторов.

3. Методика оптимизации основных технических характеристик работанных приборов, позволяющая увеличить точность и повысить [юктивность настройки системы термокомпенсации основных пара-ров РЬ8е-фоторезисторов.

4. Результаты исследований и применение полых металлических товодов для расширения футжццональных возможностей работанных устройств.

5. Предложенные и разработанные технические решения по создаю специализированных пирометров.

6. Методы отстройки от фоновых излучений, позволяющие значи-ъно уменьшить чувствительность пирометра к воздействию личных источников искусственного и естественного освещений.

7. Условия применимости разработанных специализированных эометров в технологических процессах.

Апробация работы. Материалы работы докладывались и обсуждать на: XXX научной конференция «Ресурсосберегающие технологии, облемы высшего образования» (Омск, 1994) — на международных наго-технических конференциях: «Динамика систем, механизмов и шин» (Омск, 1995) — «Актуальные проблемы электронного приборо-юения.» АПЭП-96 (Новосибирск, 1996) — «Динамика систем, ханизмов и машин», II Международная научно-техническая конфе-нция (Омск, 1997) — на Четвёртом Всероссийском научно-техническом ушнаре «Энергетика: экология, надёжность и безопасность» (Томск, 98).

Публикации. По материалам диссертации опу бликовано 7 работ, в м числе: 1 статья в сборнике трудов научнотехнической конферен-и, 1 информационный листок Омского ЩГГИ, 4 тезиса докладов на .учно-технических конференциях, подготовлена заявка для получения ггента.

Материалы работы изложены в четырёх главах.

Во введении обоснована актуальность проводимых исследований, формулированы цели и задачи работы, научная новизна и практиче-:ая значимость результатов, представлены структура диссертации и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассматриваются цели и задачи контроля температур в различных технологических процессах. Проведен сравнительный анализ контактных и бесконтактных средств контроля температуры в котором отмечены основные преимущества последних.

Рассмотрены основные физические законы, лежащие в основе пирометрии, которые в дальнейшем используются для обоснования требований, предъявляемых к приёмнику излучения и энергетического расчёта оптической системы прибора. В заключении первой главы поставлены задачи дальнейших исследований в соответствии с проведённым аналитическим обзором.

Во второй главе произведён аналитический обзор имеющихся приёмников излучения, из которых выбран наиболее подходящий для поставленных задач, а так же разработаны базовые функциональная и электронная схемы пирометра.

Третья глава посвящена исследованию основных характеристик РЬ8е-фоторезисторов. а также вопросам разработки электронных схем их включения и оптимизации параметров этих схем с целью получения наилучшей температурной стабилизации их характеристик. Так же рассмотрены возможности применения в пирометрах полых световодов.

В четвёртой главе приведены результаты экспериментальных исследований характеристик разработанных устройств ИК-контроля, а так же рассмотрены различные варианты их применения для контроля температур в различных технологических процессах.

В приложении к диссертации приведены электрические принципиальные схемы разработанных устройств и акты внедрения их на различных промышленных предприятиях.

1. ТЕПЛОВЫЕ МЕТОДЫ И СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ.

4.7. Выводы.

На основании материала, изложенного в данной главе могут быть сделаны следующие выводы.

1. Разработана базовая конструкция пирометра диафрагменного типа.

2. Произведён необходимый энергетический расчёт чувствительности пирометра.

3. Разработана полная базовая электронная схема специализированного пирометра. •.

4. Представлены исследования условий применения специализированных пирометров в различных технологических процессах.

5. Представлены результаты разработки автономных пирометров.

6. Приведены результаты работ по созданию датчика пламени для систем противопожарной автоматики.

7. Представлены исследования проходных характеристик пирометров и зависимости работы схем термокомпенсации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В процессе выполнения данной работы были получены следующие результаты.

1. Представлены результаты экспериментальных исследований основных параметров PbSe-фоторезисторов.

2. Проведён анализ экспериментальных данных и выявлены обобщённые функциональные зависимости интегральной чувствительности и темпового сопротивления PbSe-фоторезисторов от температуры.

3. Разработаны метода и средства термостабилизации параметров специализированных пирометров.

4. Обоснована целесообразность применения для решения постав-пенных задач фоторезистивных приёмников ПК-излучения на основе PbSe.

5. Разработаны базовые функциональная и электронная схемы температурной компенсации основных параметров используемых PbSe-фоторезисторов.

6. Проведено теоретическое исследование устойчивости предложенных электронных схем как САР, а также оптимизация параметров жем, в результате которых была доказана возможность получения необходимой стабилизации чувствительности при изменении окружающей температуры.

7. Разработаны электронные схемы и конструкции стационарных шрометров-датчиков для систем автоматики.

8. Разработаны электронные схемы и конструкции автономных тирометров для контроля технологических процессов.

9. Разработаны электронная схема и конструкция датчика—пламени.

10. Проведены исследования полых металлических световодов и толучено аналитическое выражение, пригодное для практического paciera чувствительности пирометров со световодом.

11. Проведены экспериментальные исследования характеристик зсех приборов, разработанных в данной работе.

12. Практические результаты применения специализированных тирометров при контроле технологических процессов.