ЗАДАЧИ АВТОМАТИЗАЦИИ В МЕТАЛЛУРГИИ
Повышение производительности труда во всех отраслях народного хозяйства при уменьшении числа занятых в производстве людей и значительном уменьшении доли ручного труда можно достигнуть путем интенсификации производственных процессов и коренного технического переоснащения промышленных предприятий на базе комплексной автоматизации с широким применением вычислительных машин и робототехнических комплексов.
Непрерывная интенсификация производственных процессов приводит, как правило, к усложнению функции управления. Однако быстрое развитие средств автоматизации и вычислительной техники расширяет возможности их реализации.
Одновременное развитие технологии производства и технологии управления привело к созданию таких производственных процессов и типов оборудования, которые невозможно эксплуатировать в отрыве от систем управления. Характерными примерами являются современные доменные печи объемом 5000 м3, кислородные конвертеры, мощные электропечи и т.п.
Необходимо, чтобы непрерывное развитие металлургической промышленности осуществлялось по трем основным направлениям:
1. Строительство мощных высокопроизводительных агрегатов. Ввод в строй доменных печей объемом 3200-5000 м3, кислородных конверторов 300-550 т, агломерационных фабрик с машинами площадью спекания 312 м2, и окомковательных фабрик с обжиговыми машинами 520 м2 проектирование агломашин с площадью спекания более 650 м2.
2. Совершенствование технология производства, улучшение качества подготовки сырья, внедрение новых интенсивных технологических процессов с использованием кислорода и дополнительных видов топлива, широкое применение методов, позволяющих улучшить качество металла - вакуумирования, электрошлакового переплава, обработки металла синтетическими шлаками, внедомендой десульфурации чугуна и т.д.
3. Улучшение методов и средств управления металлургическими процессами и планирование всего производственного цикла. Повышение квалификации персонала, обслуживающего металлургические агрегаты.
По мере роста производительности агрегатов и повышения требований к качеству металла растет роль автоматического контроля и управления металлургическими процессами, так как субъективные ошибки обслуживающего персонала могут привести к значительным абсолютным потерям металла, топлива, снижению производительности агрегатов или к снижению качества продукции.
Непрерывность технологических процессов черной металлургии создает весьма благоприятные условия для комплексной автоматизации.
Основными предпосылками для полной автоматизации участков, цехов являются повышение уровня механизации на участках, применение дистанционного управления механизмами, высокий уровень оснащения агрегатов контрольно-измерительными приборами.
Автоматизация контроля управления является одним из способов повышения производительности агрегатов и улучшения качества продукции. В свою очередь автоматизация влияет на технологию процесса, развитие более полной механизации, усовершенствование оборудования.
Максимальный экономический эффект от автоматизации может быть получен, когда в процессе проектирования технологического агрегата предусматривается его механизация, создаются резервы ресурсов управления и технологический процесс строится с учетом использования достижении современной науки управления - кибернетики. Расчеты показывают, что капитальные затраты на автоматизацию объектов окупаются в 3-4 раза быстрой, чем капитальные затраты на строительство новых производственных агрегатов. Кроме того, повышается и стабилизируется качество продукции.
Особенность черной металлургии - сравнительно небольшая численность персонала, непосредственно обслуживающего основные технологические агрегаты, поэтому автоматизация основных металлургических агрегатов не приводит, как правило, к сокращению рабочей силы, а наоборот, возникает необходимость в дополнительном привлечении высококвалифицированных работников для обслуживания систем контроля и управления. Поэтому нужно помнить, что автоматизация основных агрегатов - это улучшение организации и оптимизации технологических процессов. Именно эти факторы компенсируют дополнительные затраты. Если рассматривать вспомогательные операции (контроль, отделка, упаковка и т.д.), где занято много рабочих, то автоматизация позволяет здесь сократить численность производственного персонала.
Автоматизация позволяет преодолеть в области управления ограничения, присущие человеку в силу особенностей его психологического склада и физических свойств его организма. Так, человеку присущи ограниченный объем памяти, ограниченная способность к восприятию и переработке потоков информации, невысокая скорость реагирования на меняющиеся внешние условия, утомляемость. Все это ведет к ошибочным действиям человека в процессе управления и часто вообще мешает его возможности осуществлять управление. А в ряде важных случаев человек должен быть удален из производства, чтобы обезопасить его организм от вредных влияний внешней среды.
В настоящее время создание и эксплуатация систем автоматизации на металлургических предприятиях перестали быть функциями только специалистов по автоматическому и автоматизированному управлению. Они требуют различных форм участия практически всех групп технического персонала предприятия. Следовательно, современный специалист-технолог должен обладать достаточно широкими знаниями в этой области.
Бурному развитию систем автоматического контроля, регулирования и управления способствовали достижения в теории и практике металлургического производства.
Большой вклад в теорию автоматического регулирования внесли русские ученые профессор Вышнеградский, академик Ляпунов, советские ученые профессор Вознесенский, академик Андронов, академик Покров и др. Советские ученые-металлурги одними из первых провели работы по автоматизации доменного производства с использованием вычислительной техники. Профессор Сорокин провел обширные исследования по созданию методики автоматического регулирования доменного процесса. Профессор Готлиб предложил и разработал методику регулирования теплового состояния доменной печи. Большие работы в этом направлении проявлены под руководством профессора Похвиснева. Методики регулирования доменного процесса, определения его характерных показателей с целью автоматического регулирования разработаны профессором Раммом. Первые разработки средств управления доменным производством и некоторых датчиков сделаны под руководством доктора технических наук Качанова. Проблемой изучения взаимосвязи между отдельными технологическими параметрами агломерационного процесса занимались советские ученые Абрамов, Сигов, Миллер, Хараш, Коротич, Вегман, Хохлов, Шурхал, Федоровский.
В последние годы значительное место занимают работы, связанные с разработкой АСУТП окускования пылеватых руд и концентратов. На аглофабрике Новокриворожского горно-обоготительного комбината (НКГОК) внедрена АСУТП производства агломерата, разработанная Киевским институтом автоматики. АСУТП шихтоподготовки, разработанная ВНИПИавтоматпром внедрена на НТМК, ЧМК, КрМК.
В настоящее время промышленной эксплуатацией подтверждена технико-экономическая целесообразность применения микропроцессорного вычислительного комплекса для АСУТП в аглопроизводстве НЛМК. На базе современных средств вычислительной техники и информатики созданы основы управления на доменной печи и 9 завода “Криворожсталь”, на обжиговых машинах Лебединского, Костамукшского и Михайловского ГОКов.
Однако, даже в наиболее совершенных АСУ, реализованных в настоящее время, управление технологическим процессом в основном базируется на статистических моделях, и огромный объем знаний, касающийся физики процессов, остается не востребованным.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ КАК ОБЪЕКТА АВТОМАТИЗАЦИИ
При рассмотрении металлургических агрегатов как объектов контроля и регулирования можно указать ряд особенностей, выделяющих их из общего ряда промышленных объектов контроля и регулирования, и налагающих особые требования при создании автоматизированных систем управления. Эти особенности состоят в следующем:
1. Металлургические процессы являются сложными процессами - сложными объектами, которые можно подразделить на ряд элементарных звеньев, простых объектов, простых процессов.
2. Физическая сложность, многофакторность процессов приводит к тому, что основные металлургические агрегаты являются многосвязными объектами, функционирование которых определяется рядом входных и выходных величин, испытывающих взаимное влияние.
3. Несмотря на то, что металлургические процессы в принципе подчиняются основным законам переноса тепла, вещества и импульса, отсутствуют достаточно полные математические модели реальных производственных процессов.
4. Сложность основных металлургических объектов и разнообразие возмущений, приложенных в различных местах агрегатов, подводит к тому, что объекты характеризуются большим числом контролируемых величин и управляющих воздействий.
5. Металлургические объекты отличаются значительными трудностями осуществления автоматического контроля основных параметров. Эти трудности обусловлены в основном высокими температурами и химической агрессивностью сред, принимающих участие в производственном процессе.
6. Металлургические объекты принадлежат, как правило, к классу нелинейных объектов, то есть объектов, поведение которых описывается нелинейными математическими выражениями.
Работа по автоматизации металлургических агрегатов является самостоятельным исследованием и должна проводится по определенному плану. Можно выделить следующие этапы работы по автоматизации агрегатов.
1. Обследование агрегата.
Задача: выявить и устранить дефекты объекта, определить технико-экономические показатели его работы до автоматизации.
2. Обследование вспомогательного оборудования.
Цель обследования: Установить состояние и мощность оборудования, его соответствие требованиям работы автоматизируемого агрегата.
3. Исследование агрегата как объекта автоматического управления:
3.1. Предварительными наблюдениями устанавливают основные режимы работы: диапазоны колебаний входных параметров, вариации управляющих воздействий, диапазон колебаний параметров, определяющих состояние процесса и качество продукта, основные возмущения, нарушающие ход процесса.
3.2. Определяют статистические характеристики объекта по различным каналам. По возможности создают статистическую или детерминированную модель процесса.
4. Выбор регулируемых параметров и основных регулирующих воздействий.
5. Синтез локальных систем стабилизации отдельных параметров и локальных систем управления, связывающих ряд стабилизирующих регуляторов.
6. Разработка структурных схем и алгоритмов управления отдельными режимами работы агрегата и комплексной системы автоматического управления.
7. Включение в систему ЭВМ, которая вначале работает в режиме “советчика мастера”, а затем, после уточнения и тщательной отработки алгоритма управления подключается к управлению процессом.
8. Определение технико-экономических показателей автоматизированного агрегата и проведение сравнительной оценки его работы до и после автоматизации.
СТАТИЧЕСКИЕ И ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОБЪЕКТА
Для аналитического исследования процессов в системах автоматического регулирования (САР) необходимо составлять уравнения, устанавливающие связь между исследуемой величиной и воздействием. Например, если на вход системы поступает два воздействия Х1 и Х2, то уравнение, устанавливающее зависимость величины У от этих воздействий, в общем случае имеет вид Y=f(X1,X2). САР может находиться в установившемся состоянии, которое характеризуется тем, что все возмущающие воздействия и все переменные системы имеют установившиеся значения.
САР может находиться и в неустановившемся состоянии, когда некоторые или все возмущения и все переменные изменяют свои значения с течением времени. При аналитическом исследовании уравнение может быть составлено для системы, находящейся в любом из этих состояний. В первом случае уравнение называется уравнением установившегося состояния или уравнением статики системы, во втором случае - уравнением переходного состояния или уравнением динамики системы. Уравнение статики содержит только исследуемый характер воздействия на вход системы и является алгебраическим. Уравнение динамики содержит дополнительно производные от переменной и возмущением того или иного порядка и является дифференциальным уравнением. От уравнения динамики легко перейти к уравнению статики. Для этого достаточно в уравнении динамики принять все производные равными нулю. Например, уравнение динамики для некоторого случая, записанное в виде:
F1(Y,Y’,Y”)=F2(X1,X1’,X2,X2’,X2”)
при подстановка в него Y’ = 0, Y” = 0; X1’ = 0, X2’ = 0, X2” = 0 преобразуется в уравнение статики: F1(Y,0,0)=F2(X1,0,X2,0,0). Системы автоматического регулирования, а также отдельные элементы их различаются между собой по виду статических и динамических характеристик.
Статической характеристикой системы или элемента называется зависимость величины исследуемого параметра от возмущающего воздействия в установившемся состоянии. Эта зависимость может быть изображена в виде кривой, построенной в соответствующих координатах. Если параметр зависит от нескольких возмущающих воздействий, то статическая характеристика будет представлять собой не одну кривую, а семейство кривых. Динамической характеристикой системы или элемента называется зависимость величины исследуемого параметра от возмущающего воздействия в переходном режиме. Эта зависимость наиболее часто описывается линейными и нелинейными дифференциальными уравнениями различных порядков.
СТАТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ
Процессы, протекающие в объектах автоматического управления, зависят от многих факторов. Некоторые из этих факторов известны заранее, другие определяются в процессе работы; однако многие факторы остаются неизвестными и их значения не могут быть предусмотрены и учтены заранее. Химический состав сырья, его физические свойства, распределение материалов в рабочем, пространстве объекта являются случайными факторами, значения которых могут изменяться в известных пределах. В результате случайных событий и случайных значений многих факторов течение процесса и его результаты также являются случайными. Однако, располагая достаточным числом экспериментальных данных о факторах, влияющих на ход процесса и анализируя поведение процесса по его результатам, полученным при различных условиях, модно определить некоторые усредненные характеристики процесса. Для этой цели используют математический аппарат теории вероятности и математической статистики.
Обычно параметры процессов анализируют по структурной схеме статического анализа (см. рис. 1.1).
Рисунок 1.1 – Структурная схема статистического анализа
При статическом анализе сложных объектов не всегда есть возможность регистрировать непрерывные изменения всех исследуемых параметров. Необходимая информация может быть получена путем периодической регистрации исследуемых параметров в моменты времени, разделенные постоянным интервалом, величина которого может колебаться в широких пределах. Практически интервал выбирается из условий St ≤ max τ0j, где τ0j – время спада корреляционной функции переменной.
Промежуток времени Т, в течение которого необходимо проводить наблюдения над объектом определяют по формуле:
,
где δt - интервал регистрации параметра;
λ - параметр, характеризующий количество попаданий исследуемой величины в крайний интервал диапазона ее изменения (значения λ по доверительной вероятности Р приведены в таблице 1.1);
U - частота попадания исследуемой величины в крайний интервал (значения определяют из гистограмм).
Таблица 1.1 – Значения по доверительной вероятности Р
|
Р, % |
94 |
95 |
96 |
97 |
98 |
99 |
|
λ |
3,52 |
3,68 |
3,9 |
4,19 |
4,6 |
5,3 |
Если рассматривать значения реализаций в момент времени tj, получаем случайную величину для данного момента времени, которую можно характеризовать известными количественными признаками – математическим ожиданием М и дисперсией Д:
откуда среднеквадратичное отклонение
Математическое ожидание и дисперсия не являются исчерпывающими характеристиками случайных процессов. Для того, чтобы охарактеризовать степень связи между временными сечениями случайного процесса вводят понятие корреляционной функции:
Для выбора способа решения задачи оптимизации необходимо исследовать частотные характеристики входных и выходных параметров объекта. В качестве частотных характеристик рассматривают нормированные автокорреляционные функция Rxх(τ) и спектральные плотности Sхх(ω). Спектральная плотность определяется как косинус преобразования от Rxх(τ):
.
ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
ПРИБОРЫ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ И РАЗНОСТИ ДАВЛЕНИЙ
Устройства для измерения давления и разности (перепада) давлений получили общее название манометры. По назначению их классифицируют следующим образом:
барометры - для измерения атмосферного давления (отсюда атмосферное давление иногда называют барометрическим);
манометры абсолютного давления - для измерения абсолютного давления;
манометры избыточного давления (сокращенно в практике их называют манометрами) - для измерения избыточного давления;
вакуумметры - для измерения вакуумметрического давления, т.е. давления ниже атмосферного (в практике применяется термин - разрежение);
напоромеры и тягомеры - для измерения малых (до 40 кПа) соответственно избыточного давления и вакуум-метрического давления (разрежения) газовых сред;
мановакуумметры - для измерения избыточного и вакуумметрического давлений одновременно;
тягонапоромеры - для измерения малых (до 40 кПа) давлений и разрежений газовых сред одновременно;
дифференциальные манометры (дифманометры) - для измерения разности (перепада) давлений;
микроманометры - для измерения очень малых давлений (ниже и выше барометрического) и незначительной разности давлений.
.Чувствительные элементы всех манометров воспринимают два давления и вырабатывают сигнал, пропорциональный их разности. У манометров избыточного давления, вакуумметров, тягомеров и напоромеров одно из давлений обычно равно атмосферному. Дифманометры также могут использоваться для измерения как избыточного, так и вакуумметрического давлений, если один из двух штуцеров для подвода давлений соединить с атмосферой.
Применяемые в доменном и сталеплавильном производствах манометры по принципу действия можно разделить на две основные группы: жидкостные и с упругими чувствительными элементами (деформационные).
Жидкостные манометры (рис. 2.1) всех систем заполняются жидкостью таким образом, чтобы над жидкостью были образованы две полости, воспринимающие давление.
Рисунок 2.1 – Жидкостные манометры
В жидкостных манометрах величина измеряемого давления определяется по высоте столба жидкости или по силе, образующейся за счет действия давления на поверхности сосудов. К приборам первой группы относятся U- образные (двухтрубные), чашечные (однотрубные) и поплавковые манометры, к приборам второй группы - колокольные.
U- образный (двухтрубный) манометр (рис 2.1, а) состоит из одной прозрачной трубки, согнутой в виде латинской буквы U (или двух трубок, соединенных в нижней части). Трубки вертикально укреплены на основании и по всей их высоте нанесена двусторонняя шкала с нулем посредине. Трубки заливают жидкостью (обычно водой или ртутью, а иногда спиртом или трансформаторным маслом) до нулевой отметки. При применении U- образный манометр должен устанавливаться вертикально по отвесу. Отсчет производят по разности уровней жидкости в обеих трубках, что не всегда удобно.
Обычно с помощью U- образного манометра давление, разрежение или разность давлений измеряют в миллиметрах водяного или ртутного столба. Результат измерения может быть выражен не в миллиметрах столба рабочей жидкости, а в паскалях.
Если отсчет высоты столба жидкости по U- образному прибору производят невооруженным глазом, то при цене деления шкалы в 1 мм, при отсчете в двух коленах, пределы допускаемой основной погрешности измерения давления, разрежения или разности давлений не превышают ± 2 мм столба рабочей жидкости. Для увеличения точности отсчета высоты столба рабочей жидкости U- образные приборы снабжают зеркальной шкалой В этом случае пределы допускаемой основной погрешности показаний не превышают ± 1 мм столба рабочей жидкости. Промышленностью выпускаются двухтрубные манометры типа ДТ-5 и ДТ-50.
Чашечный (однотрубный) манометр (рис. 2,б) состоит из цилиндрического сосуда и сообщающейся с ним измерительной стеклянной трубки. При этом диаметр сосуда, а следовательно, и площадь его сечения значительно больше диаметра трубки (обычно отношение 1/400). При измерении давления в объекте его соединяют с цилиндрическим сосудом, а измерительную трубку соединяют с атмосферой. При измерении разрежения измерительную трубку соединяют с объектом, а сосуд с атмосферой При измерении разности (перепада) давлений большее давление подается в сосуд, а меньшее - в измерительную трубку.
Величиной 1/400 ввиду ее малости на практике пренебрегают и отсчет ведут по столбу жидкости только в одной измерительной трубке, что упрощает измерение по сравнению с U- образным манометром. При цене деления шкалы в 1 мм отсчет высоты столба в измерительной трубке может быть произведен с погрешностью, не превышающей ± 1 мм столба рабочей жидкости.
Промышленностью выпускаются однотрубные манометры типа ТДЖ и ММН-240.
Поплавковые манометры (рис. 2.1, в) работают по принципу рассмотренных выше чашечных манометров. В поплавковом манометре имеется два располагаемых U- образно сосуда, соединенных между собой трубкой. Большее давление подводится к широкому сосуду, в котором на поверхности рабочей жидкости (ртути или трансформаторного масла) находится поплавок. Перемещение поплавка, зависящее от величины разности (перепада) давлений, передается стрелке отсчетного и регистрирующего устройств прибора. Поплавковые манометры в настоящее время уже не выпускают, хотя в эксплуатации на металлургических заводах они еще имеются.
В колокольных манометрах (рис. 2.1, г) чувствительным элементом является тонкостенный стальной колокол, подвешенный на винтовой пружине. Колокол свободно плавает в разделительной жидкости (трансформаторное масло) будучи частично погруженным в нее. Разделительная жидкость отделяет камеру большего давления («плюсовую») под колоколом от камеры меньшего давления («минусовой») над колоколом. Под действием разности давлений колокол и кинематически связанная с ним подвижная часть передающего преобразователя перемещаются до тех пор, пока усилие от приложенной к колоколу разности давлений не уравновесится упругими силами винтовой пружины Перемещение подвижной части передающего преобразователя приводит к изменению выходного сигнала. Промышленностью выпускаются колокольные манометры типа ДКО.
Поплавковые и колокольные дифманометры предназначены для измерения перепада давлений, т.е. для работы в качестве дифманометров
Действие манометров (рис. 2.2) с упругими чувствительными элементами (деформационных) основано на использовании деформации или и изгибающего момента упругих чувствительных элемент он, воспринимающих измеряемое давление и преобразующих его в перемещение или усилие. Манометры этого типа широко применяют в диапазоне измерений от 50 Па до 1000 МПа. Они выпускаются в виде тягомеров, напоромеров, тягонапоромеров, манометров, вакуумметров и мановакуумметров.
Рисунок 2.2 – Деформационные манометры
В качестве упругих чувствительных элементов используются трубчатые пружины, мембраны, сильфоны и вялые мембраны.
Одними из наиболее распространенных являются трубчато-пружинные манометры с одновитковой трубчатой пружиной (рис. 2.2, а). Трубчатая пружина представляет собой изогнутую трубку, имеющую эллиптическое или плоскоовальное поперечное сечение (такие пружины называют пружинами Бурдона). Один конец трубчатой пружины, сообщающийся с измеряемой средой, закрепляют неподвижно, а другой - свободный, закрытый пробкой и запаянный, - соединяют с механизмом показаний прибора, передающим преобразователем или другим устройством. Под действием внутреннего давления пружина стремится уменьшить свою кривизну, вследствие чего ее свободный (запаянный) конец перемещается. Это перемещение передается на отсчетное или регистрирующее устройство манометра, либо воспринимается передающим преобразователем (на рис. 3, а изображен показывающий прибор, имеющий передающий преобразователь)
Некоторые модификации манометров снабжаются контактным устройством, срабатывающим при достижении измеряемой величиной заданного значения Эти приборы называются электроконтактными манометрами.
Промышленностью выпускаются трубчато-пружинные манометры типа ОБМ, МТП, ЭКМ.
В мембранных напоромерах (типа НМП), тягомерах (ТМП) и тягонапоромерах (ТНМП) упругий чувствительный элемент выполняется в виде мембранной коробки (рис. 2.2, б), состоящей из двух спаянных по периметру дисковых металлических гофрированных мембран. Внутренняя полость мембранной коробки сообщается со средой с большим давлением. Под воздействием разности атмосферного и измеряемого давлений мембранная коробка сжимается или разжимается, что передается стрелке отсчетного устройства манометра.
В сильфонных манометрах (рис. 2.2, в) упругий чувствительный элемент выполнен в виде сильфона, представляющего собой гофрированную тонкостенную металлическую трубку, открытую с одной стороны. Сильфон помещается в камеру, в которую подводится измеряемое давление. Изменение величины этого давления вызывает упругую деформацию сильфона и находящейся в нем винтовой пружины. Перемещение дна сильфона передается регистрирующему устройству прибора. Сильфонные манометры в настоящее время уже не выпускаются, хотя в эксплуатации они еще имеются (типа МСС).
Принципиальные схемы деформационных дифференциальных манометров представлены на рис. 2.3. У мембранного дифманометра (типа ДМ) упругим чувствительным элементом является мембранный блок (рис 2.3, а), состоящий из двух заполненных дистиллированной водой мембранных коробок, закрепленных с обеих сторон в основании. Основание с верхней и нижней крышками корпуса прибора образует две камеры: нижнюю - плюсовую и верхнюю - минусовую Внутренние полости мембранных коробок сообщаются через отверстие в перегородке. Большее давление подводится к нижней камере, а меньшее к верхней Под действием разности давлений нижняя мембранная коробка сжимается, вытесняя находящуюся в ней воду в верхнюю коробку. Последняя расширяется, что воспринимается передающим преобразователем.
Рисунок 2.3 - Принципиальные схемы деформационных дифференциальных манометров
Чувствительным элементом дифманометра (типа ДМИ, ДМЭ), представленного на рис. 2.3, б, является вялая (мягкая) неметаллическая мембрана с жестким центром, работающая совместно с винтовой цилиндрической пружиной. Мембрана, укрепленная между двумя крышками корпуса прибора, образует две камеры, в которые подводятся давления. Под действием разности давлений жесткий центр мембраны и связанный с ним шток сердечника преобразователя перемещаются до тех пор, пока сила, вызываемая разностью давлений, не уравновесится силой упругости винтовой пружины. Преобразователь вырабатывает сигнал измерительной информации, пропорциональный измеряемой разности давлений.
У сифонного дифманометра типа ДСС (рис 2.3, в) чувствительный элемент состоит из расположенных на общем основании двух сильфонов, донышки которых жестко связаны между собой штоком, а внутренние полости заполнены кремнийорганической жидкостью. Под действием разности давлений сильфоны начинают деформироваться, вызывая перемещение штока, кинематически связанного с компенсационным преобразователем.
К месту измерения давления на технологическом трубопроводе или металлическом кожухе технологического аппарата должна быть приварена закладная конструкция (например, штуцер), к которой присоединяется импульсная линия, направляемая к приборам.
Поскольку при измерении давлений и разрежений могут возникнуть дополнительные погрешности за счет влияния динамического напора движущейся струи, отборные устройства следует размещать в местах, где скорость движения среды наименьшая, поток плавный, без завихрений, т.е. на прямолинейных участках трубопроводов, при максимальном расстоянии от запорных и регулирующих устройств, колен, компенсаторов и других гидравлических сопротивлений.
Отборные устройства нельзя устанавливать на коленах трубопровода, так как при этом возникает дополнительная погрешность, вызванная центробежными силами. Отборные устройства должны подключаться к технологическим агрегатам и трубопроводам таким образом, чтобы обеспечивалось удаление воздуха из соединительных линий, заполненных жидкостями, или удаление конденсата из линий, заполненных газом. Поэтому отборы давления жидкостей и пара на горизонтальном или наклонном трубопроводе подключают сбоку или ниже горизонтальной оси трубопровода и во всех случаях с уклоном таким образом, чтобы воздух или газ, выделяющийся из жидкости в соединительной линии к измерительному прибору, имели свободный выход в трубопровод.
В верхнюю и нижнюю части трубопровода отборы подключать не следует, потому что в первом случае в соединительные линии могут попасть воздух или газ, а во втором случае - выпавшие из жидкости осадки.
Отборы давления (разрежения) газа и воздуха в горизонтальном или наклонном трубопроводе вваривают выше горизонтальной оси в верхней части трубопровода и во всех случаях с уклоном, обеспечивающим слив конденсата в трубопроводы. Конструкция отборов должна предусматривать возможность их очистки Для этого трубы отборных устройств давления (разрежения) снабжаются заглушкой, отвинтив которую можно прочистить отборное устройство.
На металлургических объектах часто приходится измерять давление и разрежение в запыленных средах. При этом возможно отложение твердых частиц (пыли) в соединительных линиях, а также попадание пыли непосредственно в измерительный прибор. Поэтому в таких случаях отборные устройства снабжают специальными пылеуловителями - циклонами, в значительной степени ограничивающими попадание пыли в соединительную линию или прибор.
На рис. 2.4 показана схема установки отборных устройств для запыленных сред с циклонами. Трубка отбора давления приваривается к металлической стенке агрегата. Другой конец ее входит в пылеуловитель - циклон. Перед попаданием в импульсную линию поток измеряемой среды изменяет свое направление (на рис. 2.4 показано стрелками), при этом частицы пыли и влаги осаждаются в нижней части циклона. Отсюда они удаляются при открытии заглушки. Для уменьшения количества пыли, попадающей в отборное устройство, линия между технологическим трубопроводом и циклоном прокладывается под углом 45°.
Рисунок 2.4 - Схема установки отборных устройств для запыленных сред с циклонами.
При отборе импульса давления (разрежения) дымовых газов отборное устройство следует устанавливать в месте с наименьшей концентрацией твердых частиц в вертикальном или наклонном положении для предупреждения скапливания влаги и пыли в трубке отбора давления.
Передача давления (разрежения) к измерительному прибору производится через разделители жидкостные и мембранные в случаях, когда измеряемая среда (жидкость или газ) действует разрушающе на материалы, из которых изготовлен чувствительный элемент измерительного прибора; имеет высокую вязкость или загрязненность; пожаро- или взрывоопасна, а дифманометр по условиям эксплуатации установлен на значительном расстоянии от места измерения в помещении, в которое подобные среды вводиться не должны; осуществить непосредственное присоединение прибора к отборному устройству невозможно.
Разделители жидкостные получили общее название разделительных сосудов. При их применении измеряемая среда заполняет импульсную трубку от места отбора до разделительного сосуда, а от разделительного сосуда до измерительного прибора импульсная линия заполняется разделительной жидкостью.
Жидкостные U- образные манометры устанавливаются строго вертикально. Жидкость, заполняющая манометр, должна быть незагрязненной и не содержать воздушных пузырьков.
Деформационные манометры (вакуумметры) должны, как правило, устанавливаться в вертикальном положении таким образом, чтобы их шкалы были хорошо видны и к приборам был обеспечен свободный доступ обслуживающего персонала. При этом для считывания показаний на близком расстоянии (1 - 1,5 м) диаметр прибора может быть до 100 мм, для большого расстояния (2 – 3 м) - не менее 160 мм. Для выбранного манометра допустимое рабочее давление должно составлять не более 3/4 верхнего предела шкалы прибора при постоянном давлении среды. Манометр присоединяют к импульсной линии или отборному устройству через трехходовой кран или трехходовой вентиль (зависит от физических параметров среды).
Трехходовой кран (вентиль) дает возможность включать и отключать манометр, проверять нулевую точку, продувать соединительную линию, а также проверить прибор в рабочей точке, т.е. непосредственно в условиях эксплуатации. Для этого к фланцу трехходового крана присоединяют контрольный манометр.
При измерении давления газов корпуса манометров окрашивают в соответствующие цвета: кислорода - голубой, водорода - темно-зеленый, ацетилена - белый, хлора и фосгена - серовато-зеленый; остальных горючих газов - красный; негорючих газов - черный.
ПРИБОРЫ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ГАЗОВ, ЖИДКОСТЕЙ И СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ
Расход вещества определяется его количеством, проходящим в единицу времени через данное сечение канала (например, трубопровода). Различают массовый расход и объемный расход.
Массовый расход определяют как массу вещества, проходящего через поперечное сечение потока в единицу времени. В системе СИ единицей массового расхода является килограмм в секунду (кг/с). Килограмм в секунду равен массовому расходу, при котором через определенное сечение за время 1 с равномерно перемещается вещество массой 1 кг.
Объемный расход определяют как объемное количество вещества в м3, проходящее через сечение потока в единицу времени. В системе СИ единицей объемного расхода является кубический метр в секунду (м3/с). Кубический метр в секунду равен объемному расходу, при котором через определенное сечение за время 1 с равномерно перемещается вещество объемом 1 м3.
Устройство для измерения количества вещества, протекающего через данное сечение трубопровода за некоторый промежуток времени (смену, сутки и т. д.), называют счетчиком количества. При этом количество вещества определяется как разность двух последовательных показаний счетчика в начале и конце этого промежутка. Показания счетчика выражаются в единицах объема, а иногда единицах массы.
Устройство для измерения расхода, т.е. количества вещества, протекающего через данное сечение трубопровода в единицу времени - час (ч), называют расходомером, а для измерения расхода и количества вещества одновременно - расходомером со счетчиком. Счетчики (интегрирующие устройства) могут быть встроены практически во все приборы, применяемые для измерения расхода.
Для измерения расхода и количества жидкостей, газа и пара на металлургических заводах применяются расходомеры, которые можно разделить на следующие группы: переменного перепада давления в сужающем устройстве, постоянного перепада давления (обтекания), электромагнитные и переменного уровня. Первые три группы расходомеров применяются при напорном движении измеряемой среды, когда поток со всех сторон ограничен жесткими стенками.
В качестве сужающих устройств для измерения расхода жидкостей, газов и пара применяют стандартные и нестандартные устройства.
К стандартным (нормализованным) сужающим устройствам относятся диафрагмы, сопла, сопла Вентури и трубы Вентури, применяющиеся для измерения расхода вещества без их индивидуальной градуировки.
К нестандартным сужающим устройствам относятся сегментные диафрагмы, диафрагмы с коническим входом, сопла с профилем «четверть круга», сдвоенные диафрагмы и другие, применяемые в особых случаях (например, для загрязненных и вязких сред) и требующие индивидуальной градуировки, так как на их применение и изготовление нет норм стандарта. Поскольку в практике в основном применяются стандартные (нормализованные) сужающие устройства, ниже будут рассмотрены только они.
Диафрагма представляет собой тонкий плоский диск с круглым отверстием, центр которого лежит на оси трубы. Отверстие имеет цилиндрическую и конусную части. Диафрагма всегда устанавливается цилиндрической частью (острой кромкой) против потока измеряемой среды. Сужение потока начинается до диафрагмы, и на некотором расстоянии за диафрагмой поток достигает минимального сечения. Затем поток постепенно расширяется до полного сечения трубопровода.
При протекании вещества через диафрагму за ней в углах образуется «мертвая зона». В ней вследствие разности возникает обратное движение жидкости, называемое вторичным потоком. Двигаясь в противоположных направлениях, струйки основного и вторичного потоков вследствие вязкости среды свертываются в виде вихрей. На вихреобразование за диафрагмой затрачивается значительная часть энергии, а следовательно, имеет место и значительная потеря давления. Изменение направления струек перед диафрагмой и сжатие струи после диафрагмы на величину давления оказывают незначительное влияние. Отбор давлений производится через расположенные непосредственно до и после диска диафрагмы два отдельных отверстия (или специальные камеры), к которым подключаются импульсные соединительные линии, идущие к измерительному прибору.
Сопло представляет собой насадку с круглым концентрическим отверстием, имеющим плавно сужающуюся часть на входе и развитую цилиндрическую часть на выходе. Профиль сопла обеспечивает достаточно полное сжатие струи, поэтому площадь (сечение) цилиндрической части сопла может быть принята равной наименьшему сечению струи. Вихреобразование за соплом вызывает меньшую потерю энергии, чем у диафрагмы, поэтому потеря давления для сопла несколько меньше, чем для диафрагмы. Отбор давлений осуществляется так же, как и у диафрагмы.
Сопло Вентури конструктивно состоит из цилиндрического входного участка, плавно сужающейся части, переходящей в короткий цилиндрический участок, и из расширяющейся конической части - диффузора. При такой форме сужающего устройства в основном благодаря наличию выходного диффузора потеря давления значительно меньше, чем у диафрагмы и сопла. Отбор давлений осуществляется с помощью двух кольцевых камер, каждая из которых соединяется с внутренней полостью сопла Вентури группой равномерно расположенных по окружности отверстий. Труба Вентури отличается от сопла Вентури тем, что входной цилиндрический участок переходит во входной конус, затем идут коротким цилиндрический участок (горловина) и диффузор.
Специалисты технологи (доменщики, сталеплавильщики, теплотехники, газовщики и др.) должны знать основные параметры измеряемой среды, необходимые в качестве исходных данных для расчета и выбора типа сужающего устройства, а также уметь правильно определять место установки сужающего устройства на технологическом трубопроводе.
При расчете диаметра отверстия сужающего устройства для измерения расхода газа в нормальных условиях необходимы следующие исходные данные: наибольший, средний и наименьший измеряемый объемный расход, приведенный к нормальному состоянию; компонентный состав газа или плотность при нормальных условиях; температура газа; избыточное давление потока газа; барометрическое давление окружающей среды; допустимая потеря давления на сужающем устройстве при максимальном расходе газа; влажность газа в рабочих условиях; диаметр трубопровода; материал трубопровода и сужающего устройства. В качестве параметров потока газа принимают их усредненные значения, исходя из условий и режимов работы расходомерного устройства.
При выборе места установки сужающих устройств необходимо учитывать основные конструктивные особенности трубопровода, влияющие на погрешности измерения расхода. В первую очередь необходимо, чтобы участки трубопровода до и после сужающего устройства были цилиндрическими с круглыми сечениями и прямыми. Дело в том, что местные сопротивления (колена, угольники, задвижки, вентили, регулирующие органы и т. д.), установленные на рабочем трубопроводе, искажают кинематическую структуру набегающего на сужающее устройство потока. Поэтому между местным сопротивлением и сужающим устройством должен быть расположен прямой участок трубопровода постоянного диаметра, длина которого должна быть такой, чтобы различные искажения потока, происходящие от его прохождения через закругления, колена, вентили и т. п., смогли вполне сгладиться. Отсюда длина такого прямого участка есть расстояние между ближайшими торцовыми поверхностями сужающего устройства и местного сопротивления. Установка сужающих непосредственно у местных сопротивлений не допускается.
Задвижки и вентили, установленные перед сужающим устройством, особенно открытые не полностью, вызывают значительное возмущение потока. Поэтому регулирующую трубопроводную арматуру рекомендуется устанавливать за сужающим устройством Если такая арматура будет находиться перед сужающим устройством, то измерение расхода можно считать надежным при условии, что длина прямого участка между арматурой и сужающим устройством будет не менее 100 внутренних диаметров трубопровода перед сужающим устройством. Место установки сужающего устройства должно обеспечивать возможность его периодического осмотра.
Для измерения расхода жидкостей, газов и пара по перепаду давления в сужающем устройстве применяются дифференциальные манометры (дифманометры), принцип действия которых был рассмотрен ранее. По способу выдачи измерительной информации дифманометры подразделяют на покрывающие и самопишущие.
Дифманометры могут изготавливаться с дополнительным устройством для сигнализации, регулирования, интегрирования расхода, преобразования и передачи пневматического или электрического сигнала, а также для измерения и записи давления или температуры.
Верхние пределы измерений дифманометров-расходомеров должны соответствовать предельным номинальным перепадам давления. Устанавливают верхний предел измерений дифманометра по заданному наибольшему измеряемому расходу.
Нижние пределы измерений дифманометров-расходомеров должны составлять не менее 30 % верхних пределов измерений.
Рисунок 2.5 – Расходомеры обтекания
В расходомерах постоянного перепада давления, называемыми расходомерами обтекания, чувствительным элементом (рис. 2.5) является тело, воспринимающее динамическое давление обтекающего его потока. Принцип действия таких расходомеров заключается в том, что при движении измеряемой среды снизу вверх чувствительный элемент (поплавок) перемещается, изменяя площадь проходного отверстия до тех пор, пока вертикальная составляющая силы, действующей на поплавок, не уравновесится его весом. При этом разность давлений на чувствительный элемент (перепад давления по обе стороны поплавка) остается практически постоянной. Таким образом, противодействующей силой в расходомерах этого вида является сила тяжести чувствительного элемента, выполняемого в виде поплавка.
Расходомер постоянного перепада давления с поплавком, перемещающимся вдоль длинной конической трубки, называется ротаметром. Трубка ротаметров для местного измерения расхода выполняется из стекла и значение расхода отсчитывается непосредственно по шкале, нанесенной на ее стенке (ротаметры типа РС и РМ). У ротаметров с дистанционной передачей поплавок связан с передающим преобразователем (ротаметры типа РЭ, РЭВ).
Принцип действия электромагнитных расходомеров основан на законе электромагнитной индукции, по которому наведенная в проводнике электродвижущая сила (э. д. с.) пропорциональна скорости его движения в магнитном поле. Таким движущимся в магнитном поле проводником является электропроводная жидкость, протекающая через первичный электромагнитный преобразователь расхода, установленный в трубопроводе. Измеряя э. д. с., наведенную в электропроводной жидкости, которая при своем движении пересекает магнитное поле первичного преобразователя, можно определить среднюю скорость текущей жидкости, а вместе с тем и объемный расход.
Рисунок 2.6 - Электромагнитный расходомер типа ИР
Магнитное поле электромагнитного расходомера типа ИР (рис. 2.6, а) внутри участка трубы, выполненной из немагнитного материала и покрытой изнутри электроизоляционным слоем, создается электромагнитом. В пересекающей магнитное поле жидкости наводится э. д. с. В одном поперечном сечении трубопровода диаметрально противоположно установлены два электрода. Снимаемая с них разность потенциалов подается на вход промежуточного преобразователя, где преобразуется в выходной сигнал, пропорциональный измеряемому расходу.
Электромагнитные расходомеры могут применяться на жидкостях с удельной электрической проводимостью не менее 103 См/м. Отсутствие в измерительном канале каких либо сужающих устройств и движущихся деталей позволяет измерять расходы как однородных жидкостей, так и пульп, твердая фаза которых не содержит ферромагнитных частиц.
Для измерения расхода загрязненных жидкостей и пульп применяются также расходомеры щелевые переменного уровня со сливом типа ЩРП. Принцип их действия (рис. 2.6, б) основан на зависимости уровня жидкости над житной стенкой от ее объемного расхода.
Расходомер состоит из расходомерной емкости и уровнемера, являющегося измерительным преобразователем расхода. К расходомерной емкости пульпа подводится по патрубку, а отводится в сливную коробку через отверстие. Для измерения высоты пульпы в расходомерах переменного уровня используются поплавковые, пьезометрические и электроконтактные уровнемеры.
Для измерения количества вещества на металлургических заводах применяют тахометрические счетчики количества, состоящие из тахометрического преобразователя расхода и счетного суммирующего механизма.
Тахометрическим преобразователем расхода называют первичный преобразователь, в котором скорость движения рабочего (чувствительного) элемента, взаимодействующего с потоком вещества, пропорциональна объемному расходу.
По принципу действия тахометрические счетчики разделяют на скоростные и объемные.
В скоростных счетчиках (типа УВК, ВК МС) в качестве рабочего элемента применяют вертушки (крыльчатки, турбинки или другие тела) с вертикальной (рис. 2.7) или горизонтальной осями вращения. Под действием потока вещества вертушка на опорном шипе совершает непрерывное вращательное движение с угловой скоростью, пропорциональной скорости потока, а следовательно, и расходу. Число оборотов вращающегося элемента суммируется счетным механизмом, с которым вертушка соединяется с помощью передаточного механизма (редуктора). Редуктор и счетный механизм соединены между собой осью с сальниковым (уплотнением. Счетный механизм отделен от проточной части прибора герметичной перегородкой, в которой установлен сальник передаточной оси. На входном патрубке счетчика устанавливаются металлическая сетка, предохраняющая прибор от попадания посторонних тел, и струевыпрямитель.
Рисунок 2.7 – Скоростные счетчики типа УВК, ВК МС
В объемных счетчиках вещество измеряется отдельными равными по объему дозами. Рассмотрим в качестве примера схему устройства объемного поршневого счетчика (рис. 2.8). Жидкость из трубы через распределительный четырехходовой кран поступает под поршень и поднимает его. Поршень, перемещаясь вверх, вытесняет жидкость, находящуюся в верхней полости цилиндра, через распределительный кран в трубу. Когда поршень достигнет верхнего крайнего положения, четырехходовой кран, связанный специальным механизмом со штоком поршня, перемещается в положение, показанное на рис. 2.8,а пунктиром. Вследствие этого жидкость из трубы будет поступать в верхнюю полость цилиндра, поршень начинает перемещается вниз и из нижней полости жидкость вытеснится через четырехходовой кран и трубу. С момента достижения поршнем крайнего положения цикл повторяется. Число доз за определенный промежуток времени суммируется счетным механизмом, связанным со штоком поршня с помощью передаточного механизма, а количество жидкости, равное сумме объемов протекших доз, показывается счетным указателем (на рис. 2.8,а счетный механизм и счетный указатель не показаны). В черной металлургии широко применяется счетчики мазута типа СМ для измерения объемного количества мазута, а также неагрессивных вязких жидкостей, обладающих смазывающей способностью.
На рис. 2.8,б приведена схема объемного счетчика жидкости с овальными шестернями типа ШЖУ. В измерительной камере счетчика имеются две овальные шестерни, которые находятся друг с другом в зацеплении и при вращении под действием потока измеряемой жидкости непрерывно обкатывают друг друга. Измерение объемного количества жидкости происходит путем периодического перемещения определенных ее объемов, заключенных в полостях между цилиндрической поверхностью измерительной камеры и овальными поверхностями шестерен. Вращение шестерен через кинематическую цель передается счетному механизму.
![clip_image028[1]](/images/stories/clip_image0281_thumb_ba9fd6254d92928a7c0a1eb73956f923.gif "clip_image028[1]")
Рисунок 2.8 – Схема устройства объемного поршневого счетчика
Расходы твердых продуктов измеряются в единицах массового расхода с помощью весов непрерывного действия. Весы непрерывного действия, встроенные в ленточные конвейеры, называют конвейерными, а выполненные в виде самостоятельных коротких конвейеров - ленточными веса-измерителями.
Конвейерные весы подразделяются на рычажные и электромеханические. Принцип действия рычажных весов основан на уравновешивании силы тяжести взвешиваемого тела посредством системы рычагов. Достаточно широко распространенные в металлургии весы этой конструкции (например, типа ЛДА) обладают громоздкой рычажной системой, сложны в изготовлении и наладке, требуют тщательного систематического ухода и крайне неудобны в эксплуатации. Точность дозирования этих устройств по мере эксплуатации ухудшается. Это объясняется наличием большого числа рычагов, опирающихся на опоры, выполненные в виде «призма-подушка», что в условиях запыленной среды неизбежно ведет к появлению недопустимой погрешности. Поэтому в последнее время переходят к электромеханическим весам и ленточным весоизмерителям, обладающим рядом преимуществ по сравнению с рычажными.
Грузоприемное устройство электромеханических конвейерных весов (рис. 2.9, а) выполнено в виде рамы с закрепленными на ней роликами, по которым движется конвейерная лента, транспортирующая материал. Одна сторона рамы закреплена шарнирно, а другая механически связана с преобразователем силы в электрический сигнал. В качестве такого преобразователя используют тензорезистор, принцип действия которого основан на свойстве проводников и полупроводников изменять свое сопротивление при деформации.
Рисунок 2.9 – Грузоприемное устройство электромеханических конвейерных весов
Лента опирается на ролики рамы. Преобразователь вырабатывает выходной сигнал пропорционально погонной нагрузке. С одним из поддерживающих роликов (или с натяжным барабаном) сочленен тахогенератор, представляющий собой электрический генератор, действие которого основано на пропорциональности э.д.с. и частоты вращения при постоянном вращении потока возбуждения. Так как указанные элементы конвейера вращаются практически без пробуксовки относительно ленты, то частота их вращения, а следовательно, и сигнал на выходе тахогенератора пропорционален линейной скорости движения конвейерной ленты.
Тахогенератор и преобразователь в свою очередь связаны с преобразователем, с выхода которого снимается сигнал измерительной информации, пропорциональный расходу, который зависит от произведения погонной нагрузки на скорость ленты.
Электромеханические конвейерные весы снабжаются счетным (интегрирующим устройством), определяющим количество материала, и имеют выход на вторичный измерительный прибор.
В ленточных весоизмерителях (рис. 2.9, б) весовой транспортер (например, ТВЛ-2), представляющий собой ленточный конвейер с приводом постоянной скорости, закреплен шарнирно и установлен на платформе рычажных весов, оборудованных передающим преобразователем. В качестве преобразователя используется тензорезистор.
ПРИБОРЫ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ И ВЛАЖНОСТИ
На металлургических заводах применяются технические средства для непрерывного измерения уровня (уровнемеры) и устройства для сигнализации предельных уровней (сигнализаторы уровня, реле уровня). Уровень измеряется в метрах (м) и миллиметрах (мм). Широкое применение нашли различные приборы для измерения и регулирования уровня, основанные на разных принципах действия: дифманометры-уровнемеры, пьезометрические, поплавковые (буйковые), емкостные, акустические, электроконтатные, зондовые и радиометрические уровнемеры.
Если дистанционная передача показаний не требуется, то уровень жидкости с достаточной точностью и надежностью можно измерять или показывающими дифманометрами, принцип действия которых описан или с помощью указательных стекол. Измерение уровня жидкости указательными стеклами основано на принципе сообщающихся сосудов.
Измерение уровня сыпучих тел в бункерах и других устройствах значительно отличается от измерения уровня жидкостей, так как из-за характера расположения материала в объекте уровень не является горизонтальной поверхностью.
Принцип действия поплавковых и буйковых уровнемеров (типа РМ-51, УДУ-10, ДУЖЭ-200М, УБ-П) основан на использовании выталкивающей силы, действующей на поплавок (буек), погруженный в жидкость. Чувствительным элементом таких уровнемеров (рис. 2.10, а) является полый поплавок (буек), плавающий на поверхности жидкости. Перемещение поплавка (буйка), вызванное изменением уровня, воспринимается передающим преобразователем. Следует иметь в виду, что при использовании поплавковых и буйковых уровнемеров на средах, склонных к налипанию, появляется дополнительная погрешность, связанная с изменением массы поплавков, что приводит к изменению глубины погружения и ограничивает их применение.
Емкостные уровнемеры (типа ЭИУ-2, РУС, ДКУ-1) широко применяют для сигнализации и дистанционного измерения уровня жидких и сыпучих сред. Принцип действия приборов основан на измерении электрической емкости первичного преобразователя, величина которой зависит от уровня контролируемой среды.
Рисунок 2.10 – Принцип действия поплавковых и буйковых уровнемеров
Для электропроводных сред применяются первичные преобразователи с одним электродом (рис. 2.10, б), покрытым слоем изоляции. Вторым электродом является измеряемая среда. При изменении уровня меняется величина поверхности обкладки конденсатора, образованного электродом и измеряемой средой, что приводит к изменению его емкости пропорционально изменению контролируемого уровня. Измерение емкости и преобразования ее в пропорциональный изменению уровня выходной сигнал осуществляется промежуточным преобразователем, содержащим индуктивно-емкостный мост. Электрический контакт контролируемой среды с измерительной схемой достигается путем заземления одного из входов измерительной схемы и стенок резервуара, в котором находится контролируемая среда.
Для измерения уровня неэлектропроводных сред (рис. 2.9, в) применяют первичный преобразователь с двумя неизолированными электродами (одним из электродов могут быть стенки резервуара). Для каждого значения уровня среды в резервуаре емкость первичного преобразователя определяется как емкость двух параллельно соединенных конденсаторов, один из которых образован частью электродов преобразователя и средой, уровень которой измеряется, а второй - остальной частью электродов преобразователя и воздухом или парами жидкости. При повышении уровня, например, происходит замещение воздуха в пространстве между электродами измеряемой средой, которая обладает существенно отличной диэлектрической проницаемостью. В результате этого изменяется емкость между электродами.
Емкостные уровнемеры не применяются для измерения уровня кусковых и склонных к налипанию материалов.
Принцип работы акустических уровнемеров (типа ЭХО-2с, ЭХО-3) основан на использовании эффекта отражения ультразвуковых колебаний от границы раздела двух сред с различными акустическими сопротивлениями. Время прохождения ультразвукового (зондирующего) импульса от источника ультразвуковых колебаний до границы раздела таких сред и обратно при постоянной температуре среды пропорционально измеряемому расстоянию.
Сущность измерения уровня с помощью акустических уровнемеров состоит в определении времени между моментами излучения и приема ультразвукового импульса, отраженного от поверхности границы раздела сред. Акустический уровнемер (рис. 11, г) состоит из преобразователя акустического, осуществляющего излучение ультразвуковых колебаний и прием отраженного импульса, и промежуточного преобразователя, предназначенного для преобразования в выходной сигнал времени между посылкой зондирующего импульса и приемом отраженного.
Акустические уровнемеры применяются в металлургическом производстве при измерении уровней агрессивных, кристаллизующихся жидкостей, а также для измерения уровня различных сыпучих материалов.
Примерами уровнемеров со следящей системой, являются зондовый механический и радиометрический уровнемеры.
В состав зондового механического следящего уровнемера (рис. 2.10, д) входит трос с грузом, намотанный на барабан. Трос переброшен через подвижный ролик, который через пружинную опору механически связан с выключателем. Периодически по сигналу, поступающему из схемы управления, электродвигатель через редуктор вращает барабан, разматывая трос. Это происходит до тех пор, пока груз не опустится на твердую поверхность. При этом натяжение троса ослабевает, ролик под действием пружинной опоры поднимается, контакты выключателя разрываются и электродвигатель останавливается. С редуктором кинематически связан передающий преобразователь.
Зондовые механические уровнемеры могут применяться для измерения уровня кусковых и сыпучих материалов, в том числе для измерения уровня засыпи шихтовых материалов на колошнике доменной печи.
Принцип работы радиометрического следящего уровнемера типа УРМС (УР-8МН) основан на том, что ионизирующее излучение поглощается веществом, уровень которого контролируется в значительно большей степени, чем средой, находящейся над ним.
Основными элементами радиометрического уровнемера (рис. 2.10, е) являются радиоактивный источник гамма-излучения, помещенным в блок, и блок детектирования, предназначенный для преобразования энергии ионизирующего излучения в электрические сигналы.
Слежение за уровнем осуществляется путем синхронного перемещения обоих блоков. Система настраивается так, чтобы блоки стремились занять положение, соответствующее среднему значению сигнала блока детектирования, которое достигается при расположении блоков против контролируемого уровня.
Блок источника и блок детектирования перемещаются в трубах стальными лентами, перекинутыми через блоки и закрепленными на барабане. При вращении барабана ленты одновременно разматываются или наматываются. Барабан приводится во вращение реверсивным двигателем через редуктор. Управление двигателем осуществляется блоком управления, связанным с блоком детектирования ионизирующего излучения. Трубы располагаются по разные стороны от объекта контроля, либо внутри него. С одним из блоков кинематически связан передающий преобразователь.
Как и зондовые механические уровнемеры, радиометрические уровнемеры применяются для контроля профиля и измерения уровня засыпи шихтовых материалов на колошнике доменной печи, а также для измерения уровня кусковых и сыпучих материалов. По сравнению с механическими зондами радиометрические уровнемеры обладают следующими преимуществами: высокая чувствительность, точность, быстродействие, непрерывность показаний, наличие непрерывного выходного сигнала, позволяющих их использовать в системах автоматизации, в том числе в автоматических системах управления загрузкой доменных печей.
При эксплуатации радиометрических уровнемеров на доменных печах следует помнить, что одной из причин выхода из строя уровнемеров (заклинивание источников и приемников излучения, обрыв лент и проводов) является деформация защитных труб в результате роста огнеупорной кладки шахты доменной печи. Особенно подвергается воздействию усилий, возникающих при движении шихты и росте огнеупорной кладки, часть защитных труб, выходящая за пределы нижней части защитных сегментов на 0,5 - 1,5 м при контроле уровня шихты в пределах 3 - 4 м. Для устранения этого при монтаже труб перед их нижней частью в огнеупорной кладке печи оставляют ниши, наполненные огнеупорной глиной, или устанавливают дополнительные сегменты.
На металлургических заводах широкое распространение получили сигнализаторы уровня (электроконтактные, емкостные и радиометрические устройства для сигнализации уровня среды).
Принцип действия электроконтактных сигнализаторов уровня основан на замыкании электрической цепи между электродами датчика или электродом и стенкой емкости при их соприкосновении с поверхностью электропроводящей среды. Контролируемыми средами могут быть твердые вещества и жидкости. Электроды необходимой длины устанавливают либо вертикально либо горизонтально на емкостях, в которых необходимо контролировать уровень среды. Когда электроды расположены выше заданного уровня, электроконтактный сигнализатор работает как сигнализатор повышения уровня. Если же электроды расположены ниже заданного уровня, прибор используется как сигнализатор понижения уровня.
Примеры конструкции и способов установки электроконтактных сигнализаторов уровня представлены на рис. 2.11 а, б. Выполненный из стального троса электрод сигнализатора наличия руды типа СНР-1063М (рис. 2.11, а) установлен на изоляторе и соединен с одним входом электронного блока. Второй вход электронного блока заземлен. В том случае, когда контролируемая среда не имеет электрического контакта с землей, устанавливается еще один заземленный электрод. При появлении на ленте конвейера руды электрическая цепь между электродами замыкается и на выходе электронного блока появляется дискретный сигнал.
Для повышения помехоустойчивости сигнализатора на изоляторе установлено металлическое кольцо, которое называют охранным. Потенциал его поддерживается выше, чем потенциал электрода. В результате при загрязнении поверхности изолятора через кольцо закорачиваются поверхностные токи утечки по изоляции датчика, чем исключается протекание тока от электрода на землю, что, в свою очередь, приводит к уменьшению количества ложных срабатываний. Рассмотренный сигнализатор применяется также для контроля верхнего уровня руды в бункерах, приемных воронках и т. п. В качестве электродов могут использоваться также металлические трубы или цепи.
Рисунок 2.11 – Конструкции и способы установки электроконтактных сигнализаторов уровня
Устройство контроля сопротивления типа УКС-1 и аналогичные устройства типа БКС-2, ИКС (рис. 2.11, б) применяются для контроля одного или двух уровней. В последнем случае оно имеет два электрода, установленных в изоляторах.
Устройство УКС-1 в случае контроля одного уровня работает следующим образом. По мере заполнения резервуара до контролируемого уровня электрод датчика входит в соприкосновение с измеряемой средой, в результате чего происходит замыкание цепи электрода датчика через слой измеряемой среды на «землю». При этом в релейном блоке срабатывает выходное реле, которое сигнализирует о заданном наполнении резервуара.
При контроле нижнего и верхнего уровней порядок работы устройства следующий. Пока резервуар не заполнен контролируемой средой, контакты выходного реле разомкнуты. Они остаются разомкнутыми и тогда, когда заполняющая среда вошла в соприкосновение с нижним электродом. При дальнейшем наполнении резервуара измеряемая среда входит в соприкосновение с электродом верхнего уровня. В цепи датчика верхнего уровня протекает ток и срабатывает выходное реле, которое сигнализирует о полном заполнении емкости. По мере понижения уровня измеряемой среды контакты выходного реле остаются замкнутыми. Схема возвращается в исходное положение, когда измеряемая среда выходит из соприкосновения с электродом нижнего датчика уровня.
Для сигнализации заполнения бункеров и других емкостей применяются также емкостные электродные сигнализаторы уровня типа ЭСУ, ЭРСУ и др., принцип действия которых аналогичен принципу действия описанных выше емкостных уровнемеров.
Надежность работы электродных сигнализаторов уровня в условиях металлургического производства в значительной степени определяется правильным выбором места установки сигнальных электродов, на что в первую очередь должны обращать внимание технологи, а также правильным выбором конструкции электродов и надежностью их изоляции от «земли».
В связи с этим при применении электродных сигнализаторов уровня установку электродов желательно во всех случаях производить сверху, независимо от высоты контролируемого уровня, поскольку при установке электродов на боковой стенке бункера труднее обеспечить их изоляцию от стенок бункера, так как поверхность изолятора с течением времени покрывается контролируемым материалом. Кроме того, размещение электродов сбоку способствует налипанию материала на стенки бункера.
Принцип действия радиометрических сигнализаторов уровня как и у радиометрических уровнемеров основан на различном поглощении гамма-излучения контролируемым веществом и окружающей его средой. Радиометрические сигнализаторы уровня применяются для контроля уровня различных материалов, в том числе для контроля уровня жидкого металла.
Блок гамма-источника (рис. 2.11, в) и блок детектирования устанавливаются на контролируемом уровне с противоположных сторон емкости. Уменьшение или увеличение плотности потока гамма-излучения, вызванное наличием или отсутствием материала, приводит к появлению сигнала на выходе электронного блока.
На металлургических заводах применяют также весовые измерители уровня или массы сыпучих материалов в бункерах. В качестве первичных преобразователей используются мессдозы, которые устанавливают под опоры бункера. В конструкцию мессдозы входят магнитоупругие преобразователи, служащие для преобразования силы тяжести бункера с заполняющим его материалом в электрический сигнал. Принцип действия магнитоупругих преобразователей основан на изменении магнитной проницаемости стальной пластины преобразователя при упругой механической деформации.
В черной металлургии основным методом измерения относительной влажности воздуха является психрометрический метод, использующий изменение охлаждения поверхности увлажненного тела при испарении с нее воды в зависимости от влажности тела. Чем меньше влажность воздуха, тем ниже температура тела. Приборы для измерения влажности по психрометрическому методу получили название психрометров. Действие психрометров типа ПЭ основано на принципе определения разности температур «сухого» и «мокрого» термометров (у «мокрого» резервуар обернут смоченной тканью). Влажность определяется по разности показаний «сухого» и «мокрого» термометров, зависящих от относительной влажности воздуха, а также от величины барометрического давления, температуры и скорости обтекания «мокрого» термометра исследуемым воздухом или газом.
Для измерения микроконцентрации влаги применяются кулонометрические измерители влажности (типа «Байкал»), принцип действия которых основан на непрерывном поглощении влаги из контролируемого газового потока пленкой гидрофильного вещества (фосфорного ангидрида) и одновременном разложении воды на водород и кислород в толще пленки путем электролиза. В установившемся режиме значение силы тока электролиза служит мерой влажности анализируемого газа. Чувствительный элемент представляет собой два платиновых электрода, между которыми расположена пленка фосфорного ангидрида.
Рисунок 2.12 – Измерение абсолютной влажности доменного дутья
Для измерения абсолютной влажности доменного дутья применяется комплекс средств типа КВД-201. Доменное дутье (рис. 2.12, а) из воздухопровода по теплоизолированной трассе поступает в устройство подготовки пробы. Для предотвращения выпадания влаги из анализируемой пробы ее температура должна быть выше точки росы, что обеспечивается нагревателем пробы. Подготовленная проба поступает в первичный преобразователь, принцип действия которого заключается в определении температуры гигротермического равновесия, наступающего между рабочей поверхностью подогреваемого элемента и анализируемой пробой. Преобразователь имеет два подогреваемых чувствительных элемента (электрода), которые размещены концентрически один в другом и пропитаны насыщенным раствором хлористого лития, являющегося сорбентом (поглощающим влагу).
С изменением влажности дутья изменяется количество впитанной сорбентом влаги, тем самым изменяется его сопротивление, что приводит к увеличению или уменьшению тока между подогревными электродами. Тепло, выделяемое подогревными электродами, расходуется на испарение впитанной хлористым литием влаги. Процесс сорбции - десорбции происходит до тех пор, пока подогревные элементы не приобретут такую температуру (температуру гигротермического равновесия), при которой количество впитываемой влаги будет равно количеству испаряемой.
Внутренняя спираль подогреваемого элемента, в качестве которой используется платиновый термометр сопротивления, подключена к измерительному преобразователю, обеспечивающему выходной сигнал, пропорциональный влажности доменного дутья. Устройства комплекса КВД-221 размещены в термостатическом шкафу с нагревателем и теплообменником, что предохраняет эти устройства от колебаний температуры окружающей среды.
Одним из наиболее распространенных методов контроля влажности сыпучих и кусковых материалов является нейтронный метод.
В нейтронном влагомере измерение влагосодержания основано на непрерывной регистрации потока медленных нейтронов, образующихся от соударения быстрых нейтронов с ядрами атомов водорода молекул воды в контролируемом влажном материале при облучении его потоком быстрых нейтронов, испускаемых плутоний-бериллиевым источником.
Быстрые нейтроны при прохождении через вещество сталкиваются с ядрами атомов, в результате чего теряют часть своей энергии и замедляются. Наиболее сильное замедление нейтроны получают при столкновении с ядрами атомов водорода, при котором нейтрон теряет в среднем половину энергии. Менее двух десятков таких столкновений бывает достаточно для того, чтобы быстрый нейтрон превратился в медленный (тепловой).
При соударении нейтрона с ядрами других элементов потеря энергии значительно меньше, причем она уменьшается с ростом массового числа ядра, на котором замедляется нейтрон. Начиная с некоторого значения массового числа ядра, потерей энергии можно вообще пренебречь. Таким образом, замедление нейтронов во влажной среде практически происходит только за счет соударения с ядрами водорода, и, следовательно, величина потока медленных нейтронов пропорциональна количеству влаги в контролируемом материале, т.е. прибор определяет абсолютную влажность. На этом принципе работают влагомеры типа «Нейтрон-ЗМ» и нейтронный стационарный влагомер кокса ВНСК.
Первичный преобразователь (датчик) нейтронного влагомера типа «Нейтрон-ЗМ» (рис. 2.12, б) состоит из источника нейтронного измерения и блока счетчиков (блока детектирования) медленных нейтронов. Для установки датчика влагомера необходимо в контролируемой емкости установить стальную трубу с дном (толщина стенки 2 - 5 мм, внутренний диаметр 60 мм) таким образом, чтобы она не препятствовала прохождению материала и на ней не образовывалось налипаний. Датчик вводится в эту трубу. Для обеспечения правильных показаний влагомера необходимо, чтобы вокруг датчика постоянно был слой контролируемого материала толщиной 250 - 300 мм и масса материала в контролируемом объеме была постоянной. Сигналы от блока счетчиков поступают на промежуточный преобразователь, вырабатывающий выходной сигнал пропорциональный влажности измеряемой среды. Первичный преобразователь влагомера типа ВНСК устанавливается в бункере с помощью закладной трубы, которая входит в комплект поставки.
По сравнению с другими влагомерами нейтронные обладают такими преимуществами, как бесконтактность измерения; независимость результатов от температуры, давления и других факторов; достоверностью измерений благодаря большому объему анализируемого материала.
Нейтронные влагомеры широко применяются в доменных цехах и системах автоматического контроля влажности скипового кокса и коррекции массы скипового кокса по его влажности. Измерение влажности и коррекция массы скипового кокса по его влажности позволяют стабилизировать массу кокса, загружаемого в доменную печь. Благодаря этому количество тепла, выделяемое при горении кокса в фурменной зоне, поддерживается на постоянном заданном уровне, что способствует стабилизации процесса нагрева продуктов плавки, экономии кокса, улучшению качества чугуна и повышению производительности доменной печи. Так, например, внедрение влагомеров на доменной печи № 9 объемом 5000 м3 завода «Криворожсталь» позволило снизить расход кокса на 0,5 % на 1 т чугуна и получить значительный экономический эффект.
Принцип действия кондуктометрического измерителя влажности основан на изменении электрической проводимости вещества при изменении его влажности (кондуктометрия - от английского слова электропроводность). Электрическое сопротивление контролируемого материала, измеряемое первичным преобразователем измерителя влажности, преобразуется в сигнал постоянного тока, поступающий на вторичный прибор.
Следует отметить, что существенным недостатком кондуктометрического способа является зависимость электрического сопротивления материала от целого ряда факторов, не связанных со степенью ею увлажнения. Так, например, помимо степени увлажнения шихты ее сопротивление зависит от содержания топлива, крупности, температуры и т. д. Поэтому надежная работа кондуктометрических измерителей влажности может быть обеспечена только при постоянстве химических и физических свойств шихты.
ПРИБОРЫ ИЗМЕРЕНИЯ СОСТАВА ЖИДКОСТЕЙ, ТВЕРДЫХ ТЕЛ И ГАЗОВ
Под определением состава вещества в общем случае понимают нахождение молекул образующих его элементов. В ряде случаев это известно заранее, а необходимо определить, например, объемное содержание наиболее важных с точки зрения технологии компонентов в общем составе вещества. Различают прямые и косвенные методы определения состава вещества.
Прямой метод основан на непосредственном выделении количества определяемого компонента (например, химическим путем) и нахождения его содержания в общей пробе вещества в виде отношения. Однако прямые методы измерения мало пригодны для построения автоматических измерительных приборов, определяющих состав вещества.
Для этих целей чаще всего используются косвенные методы измерения, основанные на существовании строго определенных зависимостей между составом анализируемого вещества (концентрациями компонентов) и его физико-химическими свойствами (параметрами), которые могут быть непрерывно и автоматически измерены. К таким параметрам относятся электропроводность, теплопроводность, оптические и магнитные свойства и т. п. Соответственно существуют различные методы определения состава вещества: электрохимические; кондуктометрические; термохимические; термомагнитные; спектральные; фотоколориметрические; хроматографические; масспектрометрические; рентгеновские и др.
ЖИДКИЕ СРЕДЫ
Измерительные устройства для анализа состава и свойств жидких сред называют анализаторами жидкости.
Массовой концентрацией компонента называется отношение массы компонента, содержащейся в веществе, к общему объему вещества. В системе СИ за единицу массовой концентрации принято число килограммов компонента, содержащегося в 1 м3 жидкой фазы (кг/м3). На практике измерение концентрации осуществляют в граммах на литр (г/л) и миллиграммах на литр (мг/л). Соотношения между этими единицами следующие: 1 кг/м3 = 1 г/л = 10-3 мг/л.
На металлургических заводах для анализа жидких сред применяют автоматические электрохимические, иономерные и кондуктометрические анализаторы жидкости.
Принцип действия иономерных анализаторов жидкости основан на измерении электродвижущей силы электродной системы, селективно (выборочно) зависящей от активности определенного иона. Измерение этой величины производится при помощи электродной системы, погружаемой в контролируемую жидкость.
При погружении одного электрода в раствор между электродом и раствором образуется разность потенциалов, возникновение которой объясняется тем, что при низких концентрациях раствора металл электрода частично растворяется, т.е. в раствор переходят положительно заряженные ионы металла и раствор заряжается положительно. На электроде при этом остаются избыточные электроны и он заряжается отрицательно относительно раствора. При высоких концентрациях раствора положительные ионы выделяются на электроде, заряжая его положительно по отношению к раствору.
Размер такого электродного потенциала зависит от материала электрода, температуры раствора и концентрации в нем активных ионов, способных обмениваться с ионами электрода. Поскольку определить значение этого потенциала непосредственно не представляется возможным, в раствор опускают еще один электрод, который вносит в цепь свой электродный потенциал. Таким образом, измеряется лишь разность потенциалов различных пар электродов.
Измерительный преобразователь иономерного анализатора жидкости состоит из двух электродов: измерительного, потенциал которого относительно раствора зависит от концентрации контролируемых ионов в растворе, и вспомогательного, который практически не изменяет свой потенциал относительно раствора при изменении концентрации ионов в нем. Вспомогательный электрод для повышения точности обычно погружают во вспомогательный раствор стабильного состава.
Эталонным измерительным электродом для определения величины водородного потенциала является водородный электрод, представляющий собой покрытую платиновой чернью платиновую пластинку, которая непрерывно омывается газообразным водородом. Так как пользоваться электродом из платины в лабораторных и производственных условиях неудобно, то в качестве измерительных электродов в серийных анализаторах (типа П-201, ДМ-5М и др.) для контроля величин водородного потенциала используют стеклянные электроды.
Стеклянный электрод представляет собой толстостенную стеклянную трубку с приваренным на конце тонкостенным полым шариком из литиевого стекла. Трубка и шарик заполнены раствором бромистоводородной кислоты. В этот раствор помещен контактный электрод, представляющий собой серебряную проволоку, покрытую слоем бромистого серебра.
При погружении стеклянного электрода в контролируемый раствор между поверхностью шарика электрода и раствором происходит обмен ионами, в результате которого ионы лития в поверхностных слоях стекла замещаются ионами водорода и стеклянный электрод приобретает свойства водородного электрода.
Вспомогательный электрод выполнен в пластмассовом корпусе, в котором находится серебряный контакт. Полость вокруг контакта заполнена кристаллическим хлористым серебром. Хлорсеребрянный электрод ввернут в сосуд с раствором хлористого калия КС1, который по трубке, заканчивающейся микропористой перегородкой, непрерывно просачивается в контролируемую среду. Через хлористый калий осуществляется беспотенциальный контакт вспомогательного электрода с контролируемой средой. Кроме того, раствор КС1 защищает вспомогательный электрод от воздействия высоких температур при измерении водородного потенциала горячих растворов и предотвращает диффузию посторонних ионов из контролируемой среды. Таким образом, в такой электродной системе из всех слагаемых выходной разности потенциалов от концентрации активных ионов водорода в растворе зависит только разность потенциалов, возникающая на границе шарика стеклянного электрода с контролируемой средой. Измерение разности потенциалов электродной системы производят измерительным прибором, входящим в комплект анализатора.
Для измерения активности ионов серы используется электродная система, состоящая из измерительного аргентитового электрода и вспомогательного выносного хлорсеребрянного электрода. На поверхности измерительного электрода возникает потенциал, пропорциональный величине серного потенциала, который измеряется по отношению к потенциалу вспомогательного электрода - э. д. с. пропорциональна концентрации сульфидных ионов.
Измерительный преобразователь концентрации цианидов в сточных водах состоит из измерительного серебряного и вспомогательного хлорсеребрянного электродов.
Для обеспечения достоверности измерения измерительные электроды всех систем должны устанавливаться на высококачественных изоляторах, препятствующих появлению токов утечки.
Принцип действия кондуктометрических анализаторов жидкости основан на изменении электропроводности жидкости от концентрации и природы содержащихся в растворе веществ, причем концентрация растворенного вещества должна быть достаточно высокой.
Анализаторы этого типа выпускаются с электродными и безэлектродными измерительными преобразователями, проточными и погружными.
Работу кондуктометрических анализаторов рассмотрим на примере четырехэлектродного преобразователя. В нем имеется две пары электродов, установленных в корпусе из электроизоляционного материала. При подводе к крайним электродам напряжения питания переменного тока через контролируемый раствор потечет ток. При постоянной силе этого тока напряжение, снимаемое со средних электродов, прямо пропорционально электрическому сопротивлению измеряемой среды, зависящему от концентрации растворенного вещества и температуры раствора. Выходное напряжение измеряется с помощью вторичных приборов. У кондуктометрических анализаторов с проточными датчиками контролируемая среда пропускается через полость датчика. Погружные датчики целиком погружаются в измеряемую среду.
Твердые среды
В настоящее время работы по автоматизации анализа твердых сред ведутся в двух направлениях: создание систем периодического контроля с использованием стационарных анализаторов и автоматизированных систем пробоотбора и пробоподготовки; создание средств автоматического контроля вещественного состава твердых сред непосредственно в потоке.
Системы со стационарными лабораторными анализаторами должны выдавать экспрессные анализы вещественного состава в различных точках технологического потока.
Для систем автоматического регулирования и управления в первую очередь необходимы средства автоматического контроля вещественного состава среды в потоке. В этой области наиболее перспективными являются флуоресцентные рентгеновские спектрометры, радиометрические и рентгенорадиометрические анализаторы, а также масс-спектрометры.
Принцип работы флуоресцентного рентгеновского спектрометра основан на следующем. Под воздействием рентгеновского излучения атомы контролируемого вещества переходят в возбужденное состояние, при котором электроны, поглощая порции энергии извне, занимают более высокие энергетические уровни. Обратный переход сопровождается излучением энергии - вторичным ионизирующим излучением. Поскольку каждый элемент имеет свое характеристическое излучение с дискретным энергетическим спектром, можно по спектру вторичного излучения определять наличие инициируемого элемента (качественный анализ), а по плотности потока энергии характеристического излучения - количество элемента (количественный анализ). Разумеется, энергия первичного рентгеновского излучения должна превышать энергию характеристического излучения контролируемого элемента.
Один из методов анализа вторичного ионизирующего излучения состоит в пространственном разложении вторичного излучения в спектр с помощью кристалла анализатора (плоского или изогнутого) и последующем измерении плотности потока ионизирующих частиц или плотности потока энергии ионизирующего излучения в выделенной части спектра блоком детектирования со схемой регистрации. При этом контролируемое вещество облучается от рентгеновской трубки. Вторичное излучение от вещества проходит через коллиматор и попадает на кристалл-анализатор.
Коллиматор необходим для формирования потока излучения, поскольку стабильные результаты измерения могут быть получены только при неизменной геометрии измерения. Он представляет собой блок (обычно свинцовый) с каналом определенного профиля.
Кристалл-анализатор выделяет из всего вторичного излучения только характеристическое излучение контролируемого элемента и посылает его на блок детектирования, установленный за диафрагмой.
Блок детектирования совместно с промежуточным преобразователем измеряет плотность потока энергии характеристического излучения (или плотность потока ионизирующих частиц) и вырабатывают выходной сигнал, пропорциональный содержанию анализируемого элемента в веществе.
Радиометрические анализаторы основаны на принципе поглощения или рассеяния гамма-излучения от состава вещества.
Радиометрический анализатор, базирующийся на принципе поглощения гамма-излучения, включает гамма-источник, помещенный в контейнер с коллимационным каналом, блок детектирования и промежуточный преобразователь.
В рентгенорадиометрическом анализаторе в отличие от флюоресцентного рентгеновского спектрометра в качестве источника первичного излучения используется не рентгеновская трубка, а радиоактивный источник. Это обеспечивает высокую компактность и экономичность аппаратуры, отсутствие высоких напряжений и значительную простоту обслуживания.
Наиболее удобной является геометрия измерений, при которой радиоактивный источник и блок детектирования ионизирующего изучения находятся по одну сторону от анализируемого вещества. Повышение чувствительности измерений при данной геометрии достигается применением двух или более радиоактивных источников, помещенных в защитные экраны. В состав анализатора входят также блок детектирования и промежуточный преобразователь.
Принцип действия масс-спектрометров основан на использовании различия траекторий положительных ионов анализируемого вещества.
Молекулы анализируемого вещества ионизируются в источнике ионов. В зависимости от агрегатного состояния вещества и выбранного типа сменного источника ионов ионизация производится либо электронным ударом, либо методом термоионной эмиссии. В первом случае молекулы анализируемого вещества подвергаются действию электронов, испускаемых накаленным катодом. Во втором случае ионы образуются при испарении молекул (атомов) вещества с накаленной поверхности ленты или коробочки, выполненной из тугоплавкого металла.
Образовавшиеся положительные ионы получают ускорение в электрическом поле и фокусируются в узкий пучок системой электрических линз. Состав ионного пучка соответствует молекулярному составу анализируемой газовой смеси.
Ионный пучок проходит через камеру анализатора, помещенную в поперечном магнитом поле, и под действием этого поля разделяется на отдельные ионные лучи, отличающиеся отношением масс ионов к их зарядам. Пройдя камеру анализатора, ионные лучи попадают на коллектор. В цепи коллектора ионы различной массы создают электрические токи, которые после предварительного усиления измеряются и записываются на диаграммной ленте.
Поскольку масс спектр каждого вещества имеет характерную структуру, зависящую от строения молекул и молекулярного веса, то на диаграммной ленте записывается спектр ионных токов, характеризующий молекулярный состав исследуемого вещества.
Конструктивно масс-спектрометр состоит из аналитической и измерительной частей. В аналитической части создается, формируется и разделяется ионный пучок по массам. Измерительная часть предназначена для питания источников ионов и других элементов системы стабилизированным напряжением, для измерения и регистрации ионных токов, индикации массовых чисел и т. п.
По назначению масс-спектрометры подразделяются на три типа: МИ - для изотопного анализа, МХ - для анализа химического состава, МС - для исследования структуры и свойств вещества.
Масс-спектрометры применяются для анализа газов, паров жидкости и твердых веществ.
Состав газов
Средства измерений, предназначенные для количественного определения состава газа, называются газоанализаторами и газовыми хроматографами. В зависимости от их назначения они подразделяются на переносные и автоматические.
Переносные газоанализаторы и хроматографы используются в лабораторных условиях для количественного определения состава газа при выполнении исследовательских работ; при специальных обследованиях, испытаниях и наладке различных технологических агрегатов и установок, для поверки автоматических газоанализаторов.
Автоматические газоанализаторы используются для непрерывного автоматического измерения объемного процентного содержания одного определяемого компонента в газовой смеси. Они позволяют определять содержание в газовой смеси диоксида углерода, кислорода, оксида углерода и водорода, метана и других газов.
Как правило, газоанализаторы обычно градуируют в процентах по объему. Такой способ градуировки шкалы газоанализаторов удобен, так как процентная доля отдельных компонентов в общем объеме остается неизменной при изменении давления и температуры газовой смеси.
Принцип действия химических газоанализаторов основан па измерении сокращения объема забранной пробы газа после удаления анализируемого компонента, которое осуществляется методами избирательного поглощения или раздельного дожигания.
Непоглощенный остаток анализируемого газа поступает в газоизмерительное устройство, где измеряется уменьшение объема, соответствующее поглощенному газу.
Такой метод избирательного поглощения применяется в переносных газоанализаторах типа ГХП2 и ГХПЗ, называемыми часто приборами ОРСа, а также в автоматических газоанализаторах.
Метод избирательного поглощения в сочетании с методом раздельного дожигания горючих составляющих анализируемой пробы газа, применяемый в переносном газоанализаторе типа ВТИ-2, дает возможность определить процентное содержание следующих компонентов газовой смеси: СО2, О2, СО, Н2, суммы непредельных углеводородов, суммы метана СН4 и других предельных углеводородом.
Автоматические химические газоанализаторы в черной металлургии широкого распространения не получили. Основным недостатком таких газоанализаторов является то, что они относятся к приборам периодического действия (20 - 30 анализов/ч).
Принцип действия электрохимических газоанализаторов на кислород типа ГЛ-5108 основан на электрохимической реакции, вызывающей образование тока в электролите при взаимодействии кислорода с электродом. Величина тока, протекающего во внешней цепи электролита, пропорциональна концентрации кислорода в газовой смеси. В составе газовой смеси не должно быть электрохимически активных газов (хлора, окислов азота, сероводорода и др.).
Принцип действия тепловых газоанализаторов основан на измерении тепловых свойств определяемого компонента газовой смеси, которые могут быть мерой его концентрации. Тепловые газоанализаторы подразделяются на термокондуктометрические и термохимические.
Действие термокондуктометрических газоанализаторов основано на зависимости теплопроводности газовой смеси от концентрации компонентов. Они применяются для определения процентного содержания какого-либо одного компонента: диоксида углерода, водорода, аммиака, гелия, хлора и других газов, имеющих резко отличные температурные коэффициенты теплопроводности по сравнению с другими компонентами смеси.
Действие термохимических газоанализаторов основано на измерении полезного теплового эффекта реакции каталитического окисления (горения) определяемого компонента анализируемой газовой смеси.
Термохимические газоанализаторы и другие применяют для измерения содержания метана, кислорода, водорода и их смесей.
Термомагнитные (магнитные) газоанализаторы основаны на использовании магнитных свойств кислорода и предназначены для измерения концентрации кислорода в различных газовых смесях и, в частности, в продуктах горения.
Принцип действия оптических газоанализаторов основан на использовании зависимости того или иного оптического свойства анализируемой газовой смеси от изменения концентрации измеряемого компонента.
Газоанализаторы, основанные на поглощении лучистой энергии в инфракрасной области спектра (их называют еще оптико-акустическими), широко применяются в черной металлургии для определения концентрации оксида углерода, диоксида углерода, метана, аммиака, а также других газов. Это объясняется тем, что и инфракрасной области спектра газы имеют весьма интенсивные и отличительные друг от друга по положению в спектре полосы поглощения (газоанализаторы типа ОА-5501, ОА-2109, ОА-2209, ОА-2309, ГИП-14, ГИП-10МБ и др.).
Принцип действия газоанализаторов ультрафиолетового поглощения основан на том, что пары ртути, хлор, сероводород и ряд других веществ имеют характерные линии поглощения в ультрафиолетовой части спектра, не перекрывающихся спектрами поглощения других компонентой анализируемой газовой смеси. Концентрация вещества определяется по величине поглощения ультрафиолетового излучения. Благодаря высокой чувствительности газоанализаторы этого типа используются для определения токсических и взрывоопасных концентраций различных газов в воздухе промышленных предприятий. Они позволяют также определять содержание паров ртути, хлора и других газов и паров как в воздушной среде, так и в технологических газовых смесях (газоанализаторы типа ГУП-2, ГУД-2А и др.).
Принцип действия фотоколориметрических газоанализаторов основан на поглощении лучей в видимой части спектра, т.е. на цветной избирательной реакции химического взаимодействия между определяемым компонентом газовой смеси и индикаторным раствором. Реакция сопровождается образованием цветных продуктов, концентрация которых определяется по величине поглощения светового потока.
Фотоколориметрические анализаторы (типа ФЛ 5501М, ФКГ-2 и др.) широко применяются для измерений микроконцентрации различных газов в воздушной среде и сложных газовых смесях. К таким газам относятся сернистый газ, сероводород, хлор, озон, аммиак, оксиды азота и др. Газоанализаторы этого типа используются также для определения в воздухе промышленных предприятий токсической концентрации различных газов и паров, вредных для человека Кроме того, фотоколориметрический метод находит применение для анализа жидкостей. Для определения больших концентраций фотоколориметрические газоанализаторы не применяются.
Описанные выше оптические газоанализаторы относятся к группе абсорбционных, т.е. основанных на поглощении лучистой энергии. Помимо них к оптическим газоанализаторам относятся также интерферометрические и эмиссионные.
Интерферометрические газоанализаторы основаны на использовании явления смещения интерференционных полос вследствие изменения оптической плотности газовой среды на пути одного из двух когерентных лучей.
Эмиссионные газоанализаторы основаны на излучении лучистой энергии, например, на измерении интенсивности спектральных линии излучения компонента, зависящей от его концентрации в анализируемой газовой смеси.
Принцип действия хроматографов основан на предварительном разделении компонентов, составляющих анализируемую смесь, в результате адсорбционных (поглотительных) процессов, происходящих при движении смеси вдоль слоя сорбента (поглощающего вещества) или за счет различий растворимости компонентов жидкости.
Газовые хроматографы (типа ХП-499, РХ-1) достаточно широко применяют в практике для разделения смесей низкокипящих веществ, входящих в состав продуктов горения (водород, кислород, окись углерода и др.). В последнее время газоадсорбционный метод используется также и для анализа высококипящих веществ и легких углеводородных газов.
Помимо газоадсорбционных методов в практике применяются газожидкостные методы хроматографии, в которых разделение сложных смесей веществ основано на различии растворимости компонентов анализируемой смеси в тонком слое жидкости, нанесенной на поверхности твердого химически инертного носителя.
Газожидкостные хроматографы (типа РХ-5, РХ-5Н, ХПА-3-15ОП и др.) находят применение для разделения высококипящих веществ, т.е. большинства углеводородов.
Одной из характерных особенностей металлургического производства является образование большого количества отходящих газов в период технологического процесса. Так, например, в крупнотоннажных дуговых сталеплавильных печах на 1 т выплавляемой стали выделяется 70 - 80 м3 газов, которые выносят из рабочего пространства печи значительное количества пыли. Поэтому постоянный контроль состава отходящих газов металлургического производства необходим для управления работой систем охлаждения и очистки отходящих газов, служащих для защиты окружающей среды. Кроме того, знание химического состава отходящих газов позволит технологам оптимизировать основной технологическим процесс.
ПРИБОРЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ
Существуют контактные и бесконтактные методы измерения температур. В первом случае необходимо обеспечить надежным тепловой контакт чувствительного элемента прибора с объектом измерения, при этом верхний предел измерения температуры ограничен жаропрочностью и химической стойкостью применяемых чувствительных элементов. При невозможности осуществить надежный тепловой контакт чувствительного элемента с объектом измерения применяют бесконтактные методы измерения.
Средство измерений (совокупность средств измерений), предназначенное для контактного измерения температуры веществ и преобразования его в сигнал температурной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем, автоматической выработки, передачи и использования в автоматических системах управления, называется термометром.
По принципу действия термометры могут быть разделены на. следующие группы: термометры расширения, термометры, сопротивления и термоэлектрические термометры.
Действие термометров расширения основано на тепловом .расширении (изменении объема) термометрического вещества (жидкостные или газовые) или линейных размеров твердых тел (дилатометрические и биметаллические) в зависимости от температуры. Предел измерения такими термометрами составляет от -190 до +6000С.
Жидкостный стеклянный технический термометр имеет заполненный жидкостью (обычно ртутью) резервуар, тонкостенную капиллярную трубку, пластину с нанесенной на ней шкалой, наружную стеклянную оболочку.
Такие термометры применяются для измерения температуры от -90 до +6000С, а термометры, заполненные органической жидкостью от -90 до +300С и от -60 до 2000С. Их изготавливают прямыми (типа П и А) и угловыми - изогнутыми под углом 90 или 1350 (типа У и Б). Нижняя часть выполняется различной длины (от 66 до 2000 мм).
Поскольку технические термометры градуируются и поверяются при погружении всей нижней части, то при измерении эксплуатационных условиях нижняя часть термометра должна быть также погружена на определенную глубину в среду, температура которой измеряется. Для предохранения стеклянной оболочки от повреждения термометры помещают в защитные стальные оправы, которые как и термометры но форме выполняют прямыми и угловыми. Для сигнализации и измерения температуры в лабораторных и промышленных условиях применяют (в простейших схемах) технические термометры ртутные электроконтактные (типа ТПК или ТЭК). Их изготавливают с электроконтактами, впаянными в капиллярную трубку термометра. Замыкание или размыкание электрической цепи между контактами происходит вследствие расширения или сжатия ртути при соответственно нагревании или охлаждении нижней части термометра.
Принцип действия манометрических термометров (типа ТДГ, ТПГ, ТДЖ, ТПЖ, ТКП и др.) основан на изменении давления рабочего (термометрического) вещества в замкнутой герметичной термосистеме.
Термосистема манометрического термометра состоит из термобаллона, погружаемого в среду, температура которой измеряется, гибкого соединительного капилляра и манометрической трубчатой пружины. Один конец пружины впаян в держатель, канал которого соединяет внутреннюю полость манометрической пружины через капилляр с термобаллоном. Второй свободный конец пружины герметизирован и шарнирно через тягу, зубчатый сектор, шестерню перемещает показывающую стрелку. Термосистема термометра заполнена рабочим веществом: газом, жидкостью или смесью жидкости с ее насыщенным паром. При нагревании термобаллона увеличивается давление рабочего вещества в замкнутом объеме герметичной термосистемы, вследствие чего пружина деформируется (раскручивается и ее свободный конец перемещается). Движение свободного конца пружины передаточным механизмом преобразуется в перемещение указателя относительно шкалы прибора, по которой производят отсчет температуры.
Дилатометрические и биметаллические, термометры основаны на использовании свойств твердого тела изменять свои линейные размеры при изменении температуры.
Действие биметаллического термометра основано на измерении разности линейных расширений при нагревании двух свареных между собой по всей плоскости соприкосновения разнородных металлов, обладающих различными коэффициентами линейного расширения. При нагревании такого биметаллического элемента он изгибается в сторону металла с меньшим коэффициентом линейного расширения и при заданной температуре замыкает сигнальные контакты. Биметаллические температурные реле применяются для интервала температур от -60 до +3000С.
Дилатометрический термометр (типа ТУДЭ, РТ и др.) состоит из металлической трубки, внутри которой имеется связанный с донышком трубы стержень, причем материал стержня обладает меньшим коэффициентом линейного напряжения, чем материал трубки. При измерении трубка должна быть целиком погружена в среду, температура которой измеряется. С повышением температуры среды трубка удлиняется больше, чем стержень, вследствие чего стержень перемещаемся вниз. Это перемещение стержня через систему рычагов преобразуется в перемещение стрелки относительно шкалы. Пределы измерения дилатометрических термометров составляют от -150 до +7000С.
Термометры сопротивления, автоматические уравновешенные мосты. Принцип действия термометра сопротивления основан на зависимости электрического сопротивления чувствительного элемента от температуры. Чувствительным элементом термометра сопротивления является топкая металлическая проволока (платиновая или медная), намотанная на керамический каркас. Концы проволоки колпачке приварены к выводам, которые соединяются с кабелем для передачи показаний. Чувствительный элемент заключен в защитную арматуру. Штуцер служит для монтажа термометра.
Платиновые термометры сопротивления (ТСП) используются для измерений от -200 до +6500С, медные термометры сопротивления (ТОМ) - для измерений от -50 до +1800С. Наиболее благоприятные с точки зрения надежной работы термометров сопротивления верхние пределы измерения составляют: 6000С для ТСП и 1000С для ТСМ.
Кроме проволочных термометров сопротивления выпускаются термометры сопротивления, чувствительные элементы которых изготовлены из полупроводниковых материалов. Полупроводниковые термометры сопротивления намываются термисторами или терморезисторами. Их применяют для измерений температур -90 до +1800С.
Передача измерительной информации от термометров сопротивления осуществляется с помощью логометров и мостов, измеряющих изменение электрического сопротивления термометра при изменении температуры контролируемой среды.
Логометры в настоящее время почти не употребляются в связи с широким распространением автоматических электронных мостов, имеющих более высокий класс точности (типа КСП-4).
Автоматические уравновешенные мосты выпускаются одноточечными и многоточечными на 3, 6 и 12 точек и класса точности 0,25 и 0,5 в зависимости о г модели.
Термоэлектрические термометры и их вторичные приборы. Способ измерения температур с помощью термоэлектрических термометров основан на существовании определенной зависимости между термо-э.д.с., устанавливающейся в цепи, составленной из разнородных проводников и температурами мест их соединений.
В цепи, составленной из двух различных термоэлектрически однородных по длине проводников (например, меди и платины), при подогреве спая появляется электрический ток, который в спае направлен от платины к меди, а в холодном спае - от меди к платине. При подогреве спая ток получает обратное направление. Такие токи называются термоэлектрическими. Электродвижущая сила, обусловленная неодинаковыми температурами мест соединения, называется термо-э.д.с., а создающий ее преобразователь - термоэлектрическим термометром (ранее употреблявшееся название - термопара).
Принцип действия термоэлектрического термометра основан на эффектах Томсона и Зеебека. Эффект Томсона заключается в том, что если проводник нагрет по своей длине неравномерно, то на его нагретом конце повышается концентрация свободных электронов, которые диффундируют к холодному концу. При этом горячий конец заряжается положительно, а холодный отрицательно. Если замкнутая цепь состоит из двух различных проводников, то термо-э.д.с. Томсона в такой цепи равна разности термо-э.д.с., возникающих в каждом проводнике, и зависит от температуры спаев.
Вследствие того, что в различных металлах плотность свободных электронов (число электронов в единице объема) неодинакова, в месте соприкосновения двух разнородных металлов в спае, электроны будут диффундировать из одного металла в доугой в количестве большем, чем обратно. Поэтому между металлами возникает некоторая контактная разность потенциалов. Поскольку плотность свободных электронов в металле зависит также и от температуры спая металлов, то в месте соприкосновения этих проводников при любых температурах возникает э.д.с., называемая контактной термо-э.д.с., значение и знак которой зависят от природы металлов и температуры места их соприкосновения (эффект Зеебека).
Термоэлектрические термометры градуируются при температуре свободных концов (холодного спая) 00С. Действительная температура свободных концов может быть постоянной, но отличаться от 00С. На практике в металлургических цехах температура свободных концов изменяется в зависимости от режимов работы металлургических агрегатов и условий окружающей среды. Поэтому свободные концы термоэлектрического термометра стараются удалить от нагретых поверхностей и вывести в зону относительно низкой постоянной температуры. Для этого не увеличивают длину термоэлектрического термометра, а выполняют продление электродом термометра с помощью гибких удлиняющих проводов, обычно называемыми термоэлекгродными или компенсационными. Компенсационные провода изготавливают из более дешевых материалов, чем термоэлектроды термометров, что весьма актуально при применении термоэлектрических термометров с электродами из благородных металлов.
Пределы измерения термоэлектрических термометров зависят от материала термоэлектродов. Термометры типа ТПП с платинородий-платиновыми термоэлектродами применяются для диапазона температур от -20 до +13000С (допускается до 16000С при кратковременных измерениях); типа ТПР с платинородий-платинородиевыми - от +300 до +16000С (18000С кратковременно); типа ТХА с хромель-алюмелевыми - от -50 до +10000С (13000С кратковременно); типа ТХК с хромель-копелевыми - от -50 до ,+6000С (8000С кратковременно).
Для измерения термо-э.д.с. в комплекте с термоэлектрическими термометрами в качестве вторичных приборов применяются магнитоэлектрические милливольтметры и автоматические потенциометры. В металлургии наибольшее распространение получили автоматические потенциометры, которые применяются для непрерывного измерения, записи, сигнализации или регулирования температуры в комплекте с термоэлектрическими термометрами, а также пирометрами.
Наряду с потенциометрами КСП-4 выпускаются автоматические электронные потенциометры типов КСП1, КСП2, КСП3 с прямоугольной и дисковой шкалами, отличающиеся друг от друга только классами точности, габаритами и конструктивными особенностями. При использовании их для сигнализации и регулирования температуры они снабжаются соответствующими дополнительными устройствами. Некоторые модификации одноточечных потенциометров выпускаются с передающими преобразователями для дистанционной передачи измерительной информации. Автоматические потенциометры находят также широкое применение в качестве вторичных приборов и для измерения других величин (давления, расхода, уровня и т.д.), изменение которых может быть преобразовано в изменение напряжения постоянного тока.
Потенциометры с ленточной диаграммой выпускаются как одноточечные, так и многоточечные для измерения и записи температуры в нескольких (2, 3, 6 и 12) точках с классами точности 0,25 и 0,5.
Средство измерений (совокупность средств измерений), предназначенное для бесконтактного измерения температуры веществ по их тепловому излучению и преобразования ее в сигнал температурной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем, автоматической выработки, передачи и использования в автоматических системах управления, называется пирометром.
Пирометры широко применяются в металлургической и других отраслях промышленности, а также при проведении научных исследований для измерения температуры тел от 300 до 60000С и выше. В отличие от контактных методов измерения температур температурное поле среды при измерении температуры с помощью пирометров не искажается, поскольку измерение, осуществляемое методами пирометрии излучения, не требует непосредственного соприкосновения контролируемой среды с телом термоприемника.
Тепловой поток от нагретых тел образуется совокупностью элементарных (монохроматических) излучений с различной длиной волн (от 0,3 до 10 мкм и более). Сюда входит видимый человеческим малом диапазон длин волн от 0,4 до 0,76 мкм и невидимая инфракрасная область, на которую приходится наибольшая доля энергии теплового излучения. Измеряя энергию излучения нагретого тела, можно определить его температуру.
Пирометры частичного излучения оптические и фотоэлектрические. При применении этих пирометров из полного спектра излучения тела при помощи специального светофильтра выбирается узкий интервал с заданной длиной волны. Интенсивность излучения в этом интервале служит мерой температуры тела и определяется непосредственно путем сравнения этой интенсивности с интенсивностью излучения эталонного источника, в качестве которого используется пирометрическая лампа накаливания. Спектральный коэффициент излучения для одного и того же материала может значительно меняться в зависимости от содержания различных примесей и других факторов. Так, например, для некоторых материалов он имеет следующие значения: шлаки (жидкие) от 0,53 до 0,9; шамот (твердые) - от 0,7 до 0,8; сталь (жидкая) - 0,37; чугун (жидкий) - 0,70 (окисленный), 0,40 (неокисленный).
Непостоянство значения, особенно для расплавленных металлов, сплавов и шлаков, является одной из основных причин появления значительных погрешностей при измерении температуры пирометрами частичного излучения.
В оптических пирометрах (их еще называют пирометрами визуальными с «исчезающей» нитью) типа ОППИР-017 и «Проминь» измерение яркостных температур основано на сравнении яркости тела, температура которого измеряется с яркостью нити пирометрической лампы. При этом в качестве чувствительного элемента (приемника излучения) для фиксирования наличия или отсутствия равновесия яркостей двух одновременно рассматриваемых изображений тел служит человеческий глаз. Оптический пирометр типа ОППИР-017 состоит из объектива, окуляра, красного светофильтра, пирометрической лампы, визирной трубки, реостата, затемняющего светофильтра, измерительного прибора и источника питания. С помощью объектива и окуляра получают четкое изображение нити накаливания на фоне объекта. При фокусировке пирометра объектив перемещают вдоль оптической оси, добиваясь резкой видимости объекта. Когда пирометр сфокусирован на контролируемый объект, являющийся источником излучения, в поле зрения наблюдателя на фоне источника видна верхняя часть дуги нити лампы. Если при этом яркость нити меньше, чем яркость фона изображения источника, то нить представится черной; если наоборот, то нить будет выглядеть как светлая дуга на более темном фоне. Меняя сопротивление реостата, можно установить такую силу тока, при которой в пределах контрастной чувствительности человеческого глаза равенство яркостей нити и фона создает эффект исчезновения нити, которая перестает быть видимой быть видимой. Соответствующее этому равенству яркостей напряжение на зажимах лампы отсчитывается по включенному в цепь измерительному прибору, шкала которого проградуирована в градусах Цельсия.
Пирометры ОППИР-017 и «Проминь» применяются для измерения температуры от 800 до 30000С и от 800 до 50000С соответственно. Пределы допускаемой основной погрешности составляют ±1,5% от верхнего предела измерения.
В оптических пирометрах ОППИР-017 и «Проминь» чувствительным элементом является глаз человека, из-за чего, во первых, исключается возможность автоматической записи температуры и применения пирометров в системах автоматического регулирования; во-вторых, измерения температуры отличаются известной субъективностью. Этих недостатков лишены фотоэлектрические пирометры, в которых в качестве приемника излучения (чувствительного элемента) используют фотоэлемент или фотосопротивление.
Здесь изображение источника излучения (нагретого тела) с помощью объектива и диафрагмы создается в плоскости отверстия. Через отверстие в диафрагме на фотоэлемент направляется световой поток от эталонной лампы накаливания, через которую протекает ток выходного каскада электронного усилителя. Перед фотоэлементом установлена вибрирующая заслонка модулятора света. С помощью заслонки и модулятора света световые потоки, падающие через красный светофильтр на катод фотоэлемента от эталонной лампы и объекта, модулируются (изменяются) с частотой 50 Гц в противофазе по синусоидальному закону. При неравенстве этих световых потоков в цепи фотоэлемента потечет фототок, переменная составляющая которого пропорциональна разности освещенностей катода фотоэлемента обоими источниками. Таким образом, на усилитель подается переменное напряжение, амплитуда и фаза которого зависят от разности двух световых потоков. Усиленный по мощности электронным усилителем сигнал подается на эталонную лампу. При этом ток накала лампы будет меняться до тех пор, пока на катоде фотоэлемента не уравняются световые потоки от источника излучения и лампы, а переменная составляющая фототока не станет равной нулю. Следовательно, сила тока накала лампы однозначно связана с яркостной температурой визируемого тела. Последовательно в цепь эталонной лампы включен калиброванный резистор, падение напряжения на котором пропорционально току лампы и, следовательно, измеряемой температуре излучателя. Это падение напряжения измеряется быстродействующим автоматическим потенциометром БАП, позволяющим производить отсчет яркостной температуры, выраженной в градусах Цельсия. Фотоэлектрические пирометры типа ФЭП-4 применяются для измерения температуры от 500 до 40000С. Пределы допускаемой основной погрешности фотоэлектрических пирометров с диапазоном измерения от 600 до 20000С составляют ±1% от верхнего предела измерения. Для приборов с двумя шкалами ±20°С для диапазона измерения 1200 - 20000С и ±1,5 % от верхнего предела измерения для тел, нагретых выше 20000С.
Пирометры полного (суммарного) излучения. Для измерения радиационных температур нагретых тел применяют пирометры полного (суммарного) излучения или как их часто называют радиационные пирометры.
В качестве чувствительного элемента радиационного пирометра используется термобатарея. Тепловой поток направляется на рабочие спаи термоэлектрических преобразователей термобатареи, по степени нагрева которых определяется температура излучателя.
Наиболее распространенными в металлургии были радиационные пирометры типа «Рапир». В настоящее время они сняты с производства и заменены агрегатным комплексом стационарных пирометрических преобразователей и пирометров излучения АПИР-С. Пирометры излучения комплекса АПИР-С используются для измерения температур в диапазоне от 30 до 25000С с пределами допускаемой основной погрешности ±1,0; ±1,5 и 2,0% от верхнего предела измерения. В зависимости от принципа действия первичные пирометрические преобразователи комплекса АПИР-С подразделяются на пирометры полного излучения термоэлектрические (ППТ) и пирометры частичного излучения фотодиодные (ПЧД).
Пирометрические преобразователи полного излучения типа ППТ предназначены для измерения и контроля радиационной температуры объектов и преобразовывает суммарную энергию электромагнитного излучения нагретых тел в напряжение постоянного тока. Приемником излучения в этих преобразователях служит термобатарея из хромель-копелевой фольги.
Преобразователи частичного излучения типа ПЧД предназначены для измерения температуры объектов по электромагнитному излучению последних с использованием зависимости интегральной яркости излучения от температуры в ограниченном спектральном диапазоне длин волн. Приемником излучения преобразователей типа ПЧД являются германиевые или кремниевые фотодиоды.
Принцип действия пирометров спектрального отношения (иногда их называют цветовыми пирометрами) основан на методе измерения отношения интенсивностей излучения нагретого тела в двух участках спектра с определенными значениями длин волн. Это отношение однозначно определяет цветовую температуру тела.
При этом цветовой температурой реального тела называется такая температура абсолютно черного тела, при которой отношение интенсивности излучений его в двух длинах волн равно отношению интенсивиостей излучения реального нагретого тела, обладающего температурой, в тех же длинах волн.
Цветовая температурасерых тел равна их действительной температуре. Необходимо отметить, при температурах выше 10000С излучение большого количества окислов и карбидов металлов практически серое. Например, серый характер имеет излучение оксидных пленок (ванадия, хрома, кремния и т. п.) на поверхности стальной ванны. Это подтверждает преимущество цветового метода, поскольку как указывалось выше, яркостная и радиационная температуры всегда (в отличие от цветовой) ниже истинной.
Для тел, у которых спектральный коэффициент излучения убывает с ростом длины волны (у большинства металлов), цветовая температура больше истинной температуры. Для тел, у которых спектральный коэффициент излучения возрастает по мере роста длины волны (у многих неметаллических тел) цветовая температура меньше действительной.
В большинстве автоматических пирометров спектрального отношения измеряется логарифм отношения интенсивностей излучения на двух участках спектра (красном и синем).
Таким образом, пирометр спектрального отношения измеряет цветовую температуру по отношению монохроматических интенсивностей для двух длин волн видимого спектра.
Пирометры спектрального отношения в значительно меньшей степени, чем пирометры других типов, подвержены влиянию поглощения излучения в промежуточной среде.
Кроме того, преимуществом этого метода измерения температуры по сравнению с другими оптическими методами является то, что пирометром спектрального отношения можно измерить температуру тела, излучение которого отличается от излучения черного тела. Результат измерения в этом случае не зависит от излучательной способности тела, если она одинакова для двух длин волн.
Эти особенности пирометров спектрального отношения позволяют успешно их использовать для контроля температуры при производстве чугуна, проката, при непрерывной разливке стали. В практике для этих целей применяются пирометры спектрального отношения типа «Спектропир».