Технологические измерения и приборы в металлургии

В.В. Дембовский

Технологические измерения и приборы в металлургии Учебное пособие

Санкт-Петербург 2004

2

УДК [658. 52. 011. 56: 651. 51: 621.741] (035) Утверждено редакционно-издательским советом университета Дембовский В.В. Технологические измерения и приборы в металлургии: Учеб. пособие. – СПб.: СЗТУ, 2004. – 70 с. Описаны методы и средства измерения ряда физических величин, характеризующих протекание важнейших технологических процессов в металлургии и литейном производстве. Информация о результатах этих измерений используется для управления производственных процессов, а также при научных исследованиях и проектировании. В то же время, средства измерения являются важным компонентом систем автоматического (автоматизированного) управления металлургическим и литейным производством. Учеб. пособие предназначено для студентов специальности 110400 – литейное производство черных и цветных металлов по направлению 651300 – металлургия и для бакалавров по направлению 521300 – металлургия. Рецензенты: 1.Кафедра металлургии и литейного производства СевероЗападного государственного заочного технического университета (заведующий кафедрой А.А. Яценко, канд. техн. наук, доц.), 2. С.С.Ткаченко, генеральный директор ПТИЛитпром, заслуженный металлург Российской Федерации, докт. техн. наук, 3. Р.В.Сулягин, зам.директора Научно – исследовательского центра ТК “ОМЗ – Ижора”, канд. техн. наук.

© Северо – Западный государственный заочный технический университет, 2004. © Дембовский В.В., 2004.

3

Предисловие В учебном пособии систематизированы сведения о методах измерений в металлургии и литейном производстве, описаны схемноконструктивные решения в области контрольно-измерительной техники, применяемой в металлургических и литейных цехах. При этом особое внимание уделено методикам измерений важнейших физико-химических величин, принципам действия средств измерения и особенностям их применения для информационного обеспечения процессов плавки и рафинирования металлов (сплавов), а также изготовления отливок различного назначения. Информационная техника как общепромышленного, так и специального назначения включает в себя широкую гамму датчиков, преобразователей, вторичных измерительных приборов, систем дистанционной передачи результатов измерения. Для удовлетворения потребности производства в получении, преобразований, передаче и обработке информации разработана [1] государственная система промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП). Основными принципами этой системы является унификация входных и выходных сигналов, применение блочно-модульного исполнения элементов системы, обеспечивающей возможность построения информационно-измерительных и управляющих систем по агрегатному принципу. Следует подчеркнуть, что к эксплуатации допускаются лишь те средства применения, которые прошли Государственную поверку согласно действующим стандартам.

1. Основные сведения о погрешностях измерения Практически ни одна из физических величин за исключением дискретных не может быть измерена абсолютно точно, и имеет место погрешность измерения:

Δx ′ = x - x и ,

(1.1)

где x - результат измерения (показания прибора), xи - истинное значение измеряемой величины. Точное значение последней остается неизвестным. Поэтому для определения погрешности пользуются другой формулой:

4

Δx = x - x д ,

(1.2)

где xд - действительное значение измеряемой величины по показаниям прибора наиболее высокой точности (образцового прибора). В большинстве случаев погрешности носят случайный характер. Причинами их возникновения являются неидеальность конструктивного исполнения приборов, а иногда и условность метода, положенного в основу измерения. В измерительной технике используется также понятие приведенной погрешности, %:

γx =

Δx ⋅ 100 , xN

(1.3)

где xN - нормирующее значение шкалы прибора

x N = x В − x Н,

(1.4)

где xВ и xН - верхний и нижний пределы измерения. Последний, в частности, может быть равен нулю. Различают понятия основной и дополнительной погрешностей. Основная погрешность определяется при нормальных условиях измерения, в качестве которых в измерительной технике приняты: - температура

θН = + 20 °С,

(1.5)

Pн = 760мм.рт.ст.

(1.6)

- давление

При отклонении условий измерения от нормальных, а также при действии электромагнитных полей, вибрации и других внешних факторов появляется дополнительная погрешность. Фирмами-изготовителями средств измерения гарантируется некоторая предельная погрешность. Если погрешности распределены по известному нормальному закону, то согласно правилу утроенной средне-квадратичной погрешности ряда измерений (правило ”трех сигм”) доверительная вероятность предельной погрешности

5

Δx ≥ 3σ оказывается не выше 0,0027. Это означает, что в самом неблагоприятном случае погрешность, превышающая предельную, встречается не чаще одного из 370 измерений, выполненных при одинаковых условиях [2]. Предельное значение основной приведенной погрешности определяет класс точности средства измерения (контрольно-измерительного прибора). Класс точности указывается в техническом паспорте прибора и на его шкале. Например, если класс точности обозначен как 0,5, то это означает, что основная приведенная погрешность данного прибора не превышает ± 0,5 % от значения xN . Пусть, например, температуру расплавленной стали измеряют пирометром класса точности 1 и пределами измерения xH =800°C; xB = 2000°C. Показания пирометра x = 1550° C. В данных условиях значение xN = 2000 – 800 = 1200°C . Допустимая предельная погрешность измерения в этих условиях.

Δx =1200 ×0,01 = 12 °C Это позволяет сделать вывод в том, что истинное значение измеряемой температуры находится в пределах x ± ∆x, то есть между 1550 –12 = 1538°С и 1550 + 12 = 1562°С. Сказанное здесь позволяет сделать важный вывод о том, что хотя истинное значение измеряемой величины (абсолютная истина) остается неизвестным, гарантируются границы, в пределах которых находится эта величина (философия измерений). Если измерительная система состоит из нескольких n элементов (датчик, преобразователь, вторичный или самопишущий прибор и пр.), то предельную погрешность системы находят по формуле

γ x = γ 2x1 + γ 2x2 + γ 2x3 + ... + γ 2xn ,

(1.7)

где γ x1, γ x2 , γ x3 ,..., γ xn – предельные погрешности отдельных элементов. Эта погрешность оказывается меньше максимально возможной, которая оценивается как сумма погрешностей отдельных элементов, так как составляющие погрешности, будучи случайными величинами, могут иметь различные знаки и не всегда достигают своего предельного значения.

6

Вопросы для самопроверки 1. Можно ли измерить физическую величину абсолютно точно? 2. Назовите причины погрешностей измерений. 3. Какие Вы знаете погрешности измерений? 4. Охарактеризуйте нормальные условия измерения. 5. Что представляет собой класс точности средства измерения/ 6. Как определить погрешность измерительной системы по известным погрешностям её элементов?

2. Измерение давлений Давлением называют силу, воздействующую на единицу поверхности. Различают полное (абсолютное) Pа, барометрическое (атмосферное) Pб и избыточное Pизб давления. Абсолютное давление отчитывается от полной пустоты (абсолютного вакуума). Барометрическим является давление окружающей воздушной атмосферы. Избыточное давление газа или жидкости определяется выражением: Pизб = Pа – Pб

(2.1)

Это давление измеряют манометром. Согласно международной системе единиц СИ, основной единицей измерения давления служит Паскаль:

1 Па =1 Н / м2 ,

(2.2)

где H – Ньютон является основной единицей силы. В то же время, известны внесистемные (старые) единицы давления, такие как техническая атмосфера, килограмм силы (кгс) на м2 или см2, миллиметр ртутного или водяного столба. Между этими единицами существует следующее соотношение: 1 техн. атм. = 1 кгс/см2 = 10000 кгс/м2 = 10000 мм.вод. ст. = 735,6 мм. рт. ст. = 0,1 МПа. При этом: 1 кгс/м2 = 9,81 Па ≈ 10 Па.

7

Существует ряд конструктивных разновидностей манометров. Их принцип действия и технические характеристики охарактеризованы в табл.2.1. В зависимости от значения и знака измеряемого избыточного давления манометры приобретают частные наименования: а) тяго - и напоромеры (приборы для измерения небольших отрицательных и положительных давлений); б) микроманометры (приборы для измерения небольших давлений с повышенной степенью точности); в) вакуумметры (приборы для измерения больших отрицательных избыточных давлений или абсолютного давления); г) дифференциальные манометры (приборы для измерения разности двух давлений). Известны также комбинированные манометры: тягонапоромеры и мановакуумметры (с нулём в промежуточной точке шкалы – между верхним и нижним пределами измерения). Таблица 2.1 Основные сведения о приборах для измерения давлений Вид

Категория

Принцип действия

Верхний предел измерения 0,63 …100 кПа

Жидкостные Уравновешивание измеряемого давления силой тяжести столба рабочей жидкости (ртути *, воды и Манометры пр.) Деформаци- Уравновешивание измеряемого 0,1 … 160 онные (пру- давления силой упругости пруМПа жинные) жинного (в различных исполнениях) чувствительного элемента Приборы абсо- Электриче- 1) По теплопроводности разре- 0,1 …150 лютного давле- ские женного газа (термокондукто- Па ния метрические вакуумметры); 2) По значению ионного тока че- 10 -1…10 -7 рез разреженный газ (Иониза- Па ционные вакуумметры) * Манометры с ртутным заполнением сняты с производства, но могут сохраняться в эксплуатации

Электрические методы измерения применяются для контроля давления разреженных газов (вакуумметры со шкалой абсолютного давления). Они градуируются по воздуху. Поэтому при измерении давления других газов требуется их экспериментальная перегра-

8

дуировка, например, с помощью ртутного компрессионного манометра Мак – Леода [1]. Вопросы для самопроверки 1. Что подразумевают под давлением газа или жидкости? 2. Как называют прибор, предназначенный для измерения избыточного давления? 3. Каким образом определяется избыточное давление, если известны абсолютное и атмосферное давления? 4. Каково соотношение между такими единицами давления, как 1 Паскаль и 1 кгс/м2 ?

3. Измерение расхода жидкостей и газов методом сужения потока Расходом называют объем или массу вещества, протекающих через поперечное сечение трубопровода в единицу времени. Соответственно этому имеем: - объемный расход Q0, м3/с; м3/ч; - массовый расходQM, кг/с; кг/ч, где обозначение кг выражает килограмм массы. Приборы для измерения расхода называются расходомерами. В отличие от расхода, количеством оказывается объем V, м3 или массу М, кг вещества, протекающую не за единицу, а за любой данный промежуток времени. За приборами, служащими для измерения количества, закрепилось название счетчики количества. Существуют и комбинированные приборы, сочетающие в себе свойства расходомеров и счетчиков количества. Это расходомеры, в которые встроен интегратор расхода, вычисляющий объёмное V, м3 или массовое М, кг количество вещества на основе соотношений t

V = ∫ Qo dt ;

(3.1)

0 t

M = ∫ QM dt , 0

(3.2)

9

где t – время. В литейном производстве измеряют расход и количество таких средств, как жидкое и газообразное топливо для плавильных и термических печей, воздух для сжигания этого топлива, вода, кислород, аргон, СО2, связующие компоненты формовочных и стержневых смесей и пр. Метод сужения потока оказался наиболее распространенным вследствие его простоты, надежности и достаточной точности измерения (основная проведенная погрешность обычно не превышает 2…3 %). Реализация этого метода известна в двух вариантах: при переменном и постоянном перепадах давлений на расходомерном устройстве. В первом варианте измерения расхода – по переменному перепаду давлений в трубопроводе устанавливают устройство, вызывающее местное сужение потока (рис. 3.1). В качестве сужающего устройства может быть использована, например, диафрагма 1, которая с помощью фланцев 2 монтируется в трубопроводе 3, где в направлении стрелки движется поток измеряемой среды. Поскольку диаметр d, м проходного сечения сужающего устройства меньше внутреннего диаметра D, м трубопровода, возникает явление сжатия потока, в результате чего его скорость v, м/с возрастает, а статическое давление Pст , Па падает. На рис. 3.1 приняты следующие обозначения: P1 – статическое давление измеряемой среды непосредственно перед сужающим ' устройством; P1 – то же на удалении от сужающего устройства (давление перед сечением I - I); P2 - статическое давление за су' жающим устройством; P2 – минимальное статическое давление в сжатом (в силу инерции) сечении потока II - II. Для анализа явления сжатия потока используем следующие два уравнения при первоначальном допущении, что плотность изменяемой среды ρ = const : 1) Уравнение неразрывности течения, м3/с:

v1F1 = v2F2 , где v1,2 – средние по сечению I-I и II-II скорости потока, м/с; F1,2 – площади тех же сечений, м2: π D2 π (d2' )2 F1 = ; F2 = , 4 4

(3.4)

10

Рис.3.1. К явлению местного сужения потока 2) Уравнение Бернулли, Па при тех же условиях и в предложении отсутствия сил внутреннего трения (вязкости) измеряемой среды

ρ v12 ρ v 22 ' P1 + = P2 + , 2 2

(3.5)

Уравнение неразрывности течения можно рассматривать как следствие закона сохранения вещества в потоке, а уравнение Бернулли – как следствие закона соxранения механической энергии, представляющей собой сумму потенциальной (энергии давления) и кинетической энергии каждой единицы объема измеряемой среды. Действительно, в последнем уравнении размерность каждого члена Па, что соответствует выражению:

11

1 Па = 1

H Н×м Дж =1 =1 . м2 м3 м3

Примем вначале, что D>>d настолько, что v1→0. Тогда из уравнения (3.5) следует, что перепад давления на сужающем устройстве ρ v 22 ' ΔP = P1 − P2 = , 2 откуда

v2 =

2 ΔP ; ρ

2 ΔP ; ρ

(3.6)

QM = ρ Q0 = F2 2 ρ ΔP ;

(3.7)

Q0 = v 2 F2 = v 2

Введем теперь некоторые уточнения, компенсирующие принятые ранее допущения. Во-первых, площадь сечения F2 неизвестна; ' во-вторых, вместо давления P1 практически измеряют давление Р1 в непосредственной близости к сужающему устройству, причем это давление на оси потока и у стенки трубопровода различно (рис. 3.1). Поэтому в окончательной форме уравнения расхода (объёмного, м3/с; массового, кг/с) записывают в форме

Q0 = α ε f 0

2 ΔP ; ρ

Qм = α ε f 0 2 ρ Δ P ; где α – эмпирический коэффициент расхода, f 0 – площадь проходного сечения сужающего устройства, м2

(3.8)

(3.9)

12

πd2 f0 = , 4

(3.10)

Для жидкостей ε = 1. Как следует из уравнений расхода (3.8), (3.9), при известных значениях α, ε, ρ и f0 расход определяется значением перепада давлений ΔP на сужающем устройстве. У расходомеров переменного перепада давлений f0 = const, а величина ΔP служит мерой расхода. К сужающему устройству подключают дифференциальный манометр (дифманометр) со шкалой в единицах расхода (дифманометр-расходомер). В этом и заключается первый вариант реализации метода сужения потока. Реальные среды, в отличие от идеальных, обладают вязкостью. Для преодоления сил внутреннего трения затрачивается часть механической энергии потока. Эта часть энергии превращается в теплоту и рассеивается в окружающую среду. В результате давление P2 за сужающим устройством до первоначального значения не восстанавливаются и имеет место остаточная (невозвратимая) потеря давления Рп = δP (рис.3.1). Для того, чтобы каждый раз при изготовлении сужающего устройства не прибегать к опытам по определению коэффициента α, проведена стандартизация сужающих устройств (табл. 3.1). Расчет размеров сужающих устройств производится по стандартной методике, описанной, например, в литературе [3], а более подробно – в [6]. В качестве исходных данных при расчете используются местные условия производства: диаметр трубопровода, физические свойства измеряемой среды, ее температура и давление, значение максимального расхода. Сущность стандартной методики расчета сужающих устройств заключается в том, что начальные приближения номинального верхнего предела измерения дифманометра ΔPн и модуля сужающего устройства m = (d /D)2 выбирают по специальной номограмме. Затем последовательно уточняют используемые в расчет величины до получения окончательного значения d при нормальной температуре. На выбор рационального вида сужающего устройства (табл. 3.1) оказывают влияние такие факторы, как требуемая точность измерения, допустимая остаточная потеря давления и максимальный расход.

13

У диафрагм загрязнение входной кромки способно вызвать значительные изменения коэффициента расхода и внести неопределённую дополнительную погрешность в результат измерения. При одинаковых расходах и перепадах давлений сопла (в том числе, - сопла Вентури) и трубы Вентури обеспечивают более высокую точность измерения. При одних и тех же значениях m и ΔP cопла, сопла Вентури и трубы Вентури дают возможность измерения большего расхода, чем диафрагмы. При прочих одинаковых условиях остаточная потеря давления из-за сокращения вихреобразо вания последовательно снижается в направлении от диафрагмы к трубе Вентури. Вместе с тем, диафрагмы, по сравнению с другими типами стандартных сужающих устройств, наиболее просты и компактны. Необходимо иметь в виду, что при отклонении температуры, давления, а у газов и их влажности от расчетных значений появляется дополнительная погрешность измерения вследствие изменения плотности измеряемой среды. Как следует, например, из уравнения (3.8), при одинаковых значениях α и ε одному и тому же перепаду давлений ΔP соответствует соотношение

Qo1 = Qo2

ρ1 , ρ2

(3.11)

где Qo1 , ρ1 – действительный расход и расчётное значение плотности (принятое при расчёте сужающего устройства); Qo2 , ρ2 – показание расходомера и фактическая плотность измеряемой среды. Плотность газа P Tн ρ = ρн , (3.12) PнT где ρн – плотность газа при нормальных абсолютных значениях температуры Tн и давления Pн ; T, P - абсолютные температура и давление в условиях измерения. Для плотности жидкостей справедливо выражение, кг/м3 ρн ρθ = , (3.13) 1 + β ( θ − θн ) где ρθ – плотность при температуре θ, °С;

14

Таблица 1.3 Стандартные сужающие устройства и их характеристики

Примечание. У камерной диафрагмы отбор давлений производится через кольцевые щели, у бескамерной – через отдельные отверстия.

15

ρн – плотность при нормальной температуре θн = + 20 °С; β – коэффициент объёмного расширения жидкости. Существуют способы и устройства автоматического введения поправок на изменение плотности измеряемой среды. Измерение расхода во втором варианте – при постоянном перепаде давлений характеризуется тем, что в уравнениях (3.8), (3.9) ΔP = const, а мерой расхода оказывается переменная площадь проходного сечения fo . Принцип измерения расхода при постоянном перепаде давлений реализован, например, в расходомерах, называемых ротаметрами. Они применяются при меньших, чем в первом варианте рассматриваемого метода, расходах жидкостей [1], с. 24. Вопросы для самопроверки 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Что называют расходом в измерительной технике? Чем отличается объёмный расход от массового? Каково общее наименование приборов для измерения расхода? Для чего предназначаются счётчики количества? В чём заключается сущность метода сужения потока для измерения расхода? Какие величины входят в уравнение расхода? Опишите основные признаки стандартных сужающих устройств для измерения расхода. 8. Какие дополнительные погрешности могут возникнуть при измерении расхода методом сужения потока?

4. Индукционный метод измерения расхода жидкостей Индукционные (электромагнитные) расходомеры применимы для измерения расхода жидкостей, обладающих электропроводностью не ниже 10 –3…10 См/м, то есть не меньше, чем у технической воды. В литейном производстве с помощью таких приборов можно измерять расход практически любой жидкости, применяемой при приготовлении формовочных и стержневых смесей. Принцип действия индукционного расходомера основан на явлении электромагнитной индукции. Датчиком прибора (рис. 3.2)

16

служит участок 1 трубопровода, изготовленный из немагнитного

Рис.3.2. Принципиальная схема индукционного расходомера материала. В этот участок с применением изоляторов вмонтированы электроды 2 заподлицо с внутренней поверхностью трубопровода. При измерении расхода агрессивных сред внутренняя поверхность трубопровода датчика снабжается защитным покрытием. Датчик расположен между полюсами электромагнита 3, создающего внутри трубопровода однородное магнитное поле. В результате этого при протекании через трубопровод потока измеряемой среды в ней, как в проводнике, движущемся в магнитном поле, возбуждается ЭДС индукции, В

E = B l v,

(3.14)

где B – магнитная индукция Тл ; l – длина проводника, которая здесь равна междуэлектродному расстоянию, то есть внутреннему диаметру трубопровода D, м; v – средняя по сечению скорость потока измеряемой среды, м/с. Примечание. Единица измерения магнитной индукции (плотности магнитного потока) в системе СИ 1 Тесла (Тл) = 1 Вольт ⋅ секунда / метр2 . Площадь поперечного сечения потока, м2 π D2 F= , 4

(3.15)

17

Отсюда объемный расход жидкости, м3/с

Q = vF ,

(3.16)

или

E π D2 Q= ⋅ =k E , BD 4

(3.17)

πD – конструктивный коэффициент пропорциональности. 4B Значение ЭДС, снимаемой с электродов, преобразуется в выходной сигнал для дистанционной передачи на вторичный электроизмерительный прибор. Важнейшие достоинства индукционных расходомеров заключаются в том, что они не вносят никакого сопротивления в поток измеряемой среды и, тем самым, не создают условий для местной аккумуляции осадков в датчике. Кроме того, показания индукционных расходомеров не зависят от характера течения потока, а также от физических свойств (плотности, вязкости) измеряемой среды, а следовательно и от её температуры. где k =

Вопросы для самопроверки 1. В чём заключается принцип действия индукционного расходомера? 2. Для измерения расхода каких сред можно применить индукционный метод? 3. Зависят ли показания индукционного расходомера от температуры контролируемой среды? 4. В чём заключаются достоинства индукционного метода измерения расхода?

5. Измерение расхода сыпучих материалов В металлургическом и литейном производствах требуется измерять расход таких сыпучих материалов, как молотая известь, различные рафинирующие смеси для процессов плавки металлов и сплавов, компоненты формовочных и стержневых смесей (кварцевый песок, бентонит, регенерат) и пр. При этом, в основном, применяются следующие решения.

18

5.1. Измерение расхода сыпучих материалов при конвейерном транспорте В состав измерительной системы (рис.5.1) входят взвешивающий транспортер 1, на ленту которого материал поступает из питающего бункера 2. Транспортер приводится в действие с помощью электродвигателя Д. Скорость привода (и, следовательно, - движения материала на ленте v, м/с) измеряется с помощью тахогенераторного датчика TГ. Выходной сигнал последнего унифицируется к стандартному с помощью преобразователя Пр1. Масса m, кг материала на ленте транспортера измеряется взвешивающим устройством ВУ по действию на него силы тяжести с коррекцией на массу пустого транспортера. Сигнал массы материала также унифицируется преобразователем Пр2. Оба сигнала вводятся в блок перемножения сигналов (X), в результате формируется сигнал массового расхода сыпучего материала, кг/с

Qм = k v m ,

(5.1)

где k - конструктивный коэффициент пропорциональности. Выходной сигнал блока перемножения через преобразователь Пр3 поступает на интегратор И, позволяющий определить количество М, кг сыпучего материала, прошедшего через измерительную систему в течение заданного промежутка времени. 5.2. Измерение расхода сыпучих материалов при пневмотранспорте Пневмотранспорт сыпучих материалов по трубопроводам осуществляется за счет энергии сжатого газа-носителя (воздуха, при вдувании порошков в ванну сталеплавильных печей – аргона и др.) Из нескольких известных способов измерения расхода сыпучих материалов при пневмотранспорте остановимся здесь на наиболее перспективном (рис. 5.2), основанном на измерениях расхода газаносителя и плотности аэросмеси, представляющей собой поток того же газа с взвешенными в нем частицами твердого материала [12]. Расход газа-носителя Qo, м3/с при этом измеряют, например, по перепаду давлений на сужающем устройстве СУ с помощью дифманометра – расходомера ДМ. Для измерения плотности аэросмеси применён радиоизотопный плотномер ПМ, содержащий ис-

19

точник гамма-излучения (Со60, Сs137 и пр.) и его приемник (иониза-

Рис.5.1. Измерение расхода сыпучих материалов при конвейерном транспорте

Рис.5.2. Измерение расхода сыпучих материалов при пневмотранспорте

20

ционный счетчик). Узкий пучок гамма-излучения ослабляется веществом по закону

E = Eo e − μ ρ l ,

(5.2)

где Eo - начальная энергия потока гамма лучей, определяемая природой применяемого радиоизотопа и его активностью; E - энергия того же потока, ослабленного после прохождения через вещество; μ - массовый коэффициент ослабления, м2/кг; ρ- плотность вещества, кг/м3; l - длина луча, м. Газ-носитель практически полностью прозрачен для гаммалучей. Поглощение излучения стенками металлического трубопровода является постоянным фактором, учитываемым при настройке прибора. Плотность же аэросмеси определяется концентрацией твердого вещества в потоке газа-носителя. Сигналы расхода газа-носителя и плотности аэросмеси после прохождения через преобразователи, соответственно Пр1 и Пр2, перемножаются множительным устройством (Х), определяя, тем самым, массовый расход сыпучего материала, кг/с

QM = k ρ Q o ,

(5.3)

где k - конструктивный масштабный множитель. Далее, подобно тому, как это производится в предыдущей схеме, сигнал произведения нормируется преобразователем Пр3 и интегрируется (И) для определения количества сыпучего вещества t

M = ∫ QM dt .

(5.4)

0

Вопросы для самопроверки 1. Как измеряют расход сыпучих материалов при конвейерном транспорте (открытым способом)? 2. Какие датчики применяют при измерении расхода сыпучих материалов открытым способом? 3. Как измеряют расход сыпучих материалов при пневмотранспорте?

21

4. Для чего и как контролируют плотность аэоросмеси при измерении расхода сыпучих материалов при пневмотранспорте?

6. Измерение температуры термоэлектрическими термометрами Комплект термоэлектрического термометра, с помощью которого измеряют высокие температуры, например, - металлических расплавов, огнеупорной кладки плавильных и термических печей, состоит из первичного прибора (датчика температурного сигнала) в виде термопары (рис. 6.1а) и вторичного электроизмерительного прибора (рис. 6.1б) . 6.1. Теоретические основы термоэлектрической термометрии Термопара (рис.6.1,а) представляет собой электрическую цепь, составленную из двух разнородных проводников или полупроводников А и В. При различии температур отдельных спаев θ,°C, и θ0,°С в термопаре возникает разность потенциалов, называемая термоэлектродвижущей силой (ТЭДС). Отметим, что термин “спай” сложился исторически, так как вначале надежный контакт между проволочными или иными металлическими электродами обеспечивали пайкой. С θ0 ° θ0 ° ° θ0 С

а)

А

В

+

– ° θ

А

В

+

–

б) ВП

° θ

Рис.6.1. Термопара (а) и подключение к ней вторичного электроизмерительного прибора (б)

22

В настоящее время, особенно в области измерения высоких температур, вместо пайки применяют сварку. Спай, погружаемый в измеряемую среду с температурой θ,°C, называют рабочим (или горячим). Другой спай, находящийся в окружающей среде с температурой θ0,°С, носит название свободного (или холодного). Причиной возникновения ТЭДС является диффузия свободных электронов из одного термоэлектрода в другой. При этом вещество термоэлектрода, менее прочно удерживающее свои электроны, заряжается положительно, а другое – отрицательно. Значение ТЭДС термопары выражают формулой:

E AB (θ ; θ0 ) = e AB (θ) − e AB (θ0 ),

(6.1)

где e AB (θ) и e AB (θ0 ) - частные ТЭДС в отдельных спаях, определяемые природой вещества термоэлектродов (А; В) и температурами отдельных спаев. Зависимость ТЭДС от температуры рабочего спая θ,°C при температуре свободного спая θ0 = 0 °C, то есть

E AB (θ ;0) = e AB (θ) − e AB (0),

(6.2)

называется градуировочной характеристикой термопары. Для стандартных термопар градуировочные характеристики приводятся в литературе в виде таблиц и графиков. В отличие от этого, каждую партию нестандартных термопар подвергают индивидуальной градуировке с целью выявить зависимость (6.2). ЕАВ(θ,0) ЕАВ(θ,θ0) ЕАВ(θ0,0) 0

θ0

θ

θ, °С

Рис. 6.2. Схема введения поправки на температуру свободного спая термопары.

23

В производственных условиях не удается поддерживать температуру свободных спаев при 0 0С, и необходимо вводить поправку к результатам измерения температуры согласно схеме, представленной на рис.6.2, где E AB (θ ; θ0 ) – показание вторичного прибора при θ0 ≠ 0 ºС; E AB (θ0 ;0) – поправка; E AB (θ ;0) – действительный сигнал термопары, приведенный к условиям её градуировочной характеристики. Принято первым в названии термопары указывать положительный электрод. Вторичный прибор ВП (рис. 6.1, б) подключается к термопаре с помощью соединительных проводов СП. Вторичные приборы бывают показывающие и самопишущие. Показывающий прибор имеет в своем составе устройство для отображения результатов измерения температуры со шкалой и указателем или – цифровой индикатор. Самопишущий прибор непрерывно или периодически регистрирует значение измеряемой температуры на диаграммной бумаге, а современные цифровые приборы выводят результат измерения температуры на принтер. При подключении вторичного прибора к термопаре в её цепь оказывается введённым третий проводник C в виде медного или специального провода. Тогда ТЭДС термопары оказывается равной:

E AB (θ ; θ0 ) = e AB (θ) + eBC (θ0 ) + eCA (θ0 ).

(6.3)

Для цепи, составленной из трёх проводников (рис.6.3), на основании закона Вольта, являющегося частным выражением закона сохранения энергии, справедливо равенство

e AB(θ0 ) + eBC (θ0 ) + eCA (θ0 ) = 0.

(6.4)

Отсюда следует

eBC (θ0 ) + eCA (θ0 ) = - eAB(θ0) .

(6.5)

Подставляя выражение eBC (θ0 ) + eCA (θ0 ) из (6.5) в (6.3), получаем результат, идентичный уже знакомому уравнению (6.1). В результате можно утверждать, что включение третьего проводника в цепь термопары практически не изменяет ее ТЭДС. Од-

24

нако, сказанное справедливо при условии, что температуры всех свободных спаев одинаковы. Подобный вывод можно распространить на любое число дополнительных проводников в термоэлектрической цепи. 6.2. Термопары К числу стандартных термопар относят те термопары, свойства термоэлектродов которых с высокой точностью воспроизводятся при массовом изготовлении и достаточно стабильны в процессе эксплуатации. Серийно выпускаются термопары с проволочными термоэлектродами (ГОСТ 3044-84), изготовляемыми из чистых металлов или специальных сплавов (табл. 6.1). Погрешности стандартных термопар с термоэлектродами из неблагородных металлов находятся в пределах 0,5…1,0 % от измеряемой температуры, а термопары с термоэлектродами из благородных металлов обладают погрешностью 0,25…0,5 %. При измерении температуры расплавов защиту рабочего конца термопары осуществляют с помощью защитных наконечников (углеродистая или жароупорная сталь, плавленые кварц, глинозём, магнезит, диборид циркония и пр.), выбор которых производят в соответствии с условиями измерения. Для периодического измерения температур расплавов получили распространение термопары со сменными блоками [7]. Известны конструкции механизированных термопар, вводимых в расплав через отверстия в стенке плавильных печей [8]. При многократных периодических измерениях температур расплавов представляет интерес динамический метод, для реализации которого к термопаре подключают микропроцессорный блок. Последний после погружения термопары в расплав и выдержки в нем в течение нескольких секунд “предсказывает” значение конечной температуры по темпу нагрева рабочего спая термопары. При этом может производиться автоматическая коррекция результата измерения по тепловой инерции защитного наконечника с оставшимся на нем слоем шлака от предыдущего погружения термопары. После компьютерной обработки сигнала ТЭДС термопара до достижения конечной температуры извлекается из расплава, например, с помощью специального механизма. В результате оказывается возможным измерять высокие температуры агрессивных сред с помощью низкотемпературных дешевых термопар.

25

При необходимости непрерывного контроля температуры жидкой стали на протяжении всего периода рафинирования применяют комбинированные – многослойные защитные наконечники [8] с наружным чехлом из плавленого кварца (SiO2), внутренним – из плавленого Al2O3 с добавлением 1,5 % TiO2 при засыпке пространства между ними порошкообразным утрамбованным глиноземом (Al2O3). Таблица 6.1 Характеристики стандартных термопар при θ0 = 0 °С Тип термопары

Материал термоэлектродов Условное обозначение градуировочной характеположительного отрицательного ристики

ТВР

ВР

ТПР

ПР

ТПП

ПП

ТХА

ХА

Сплав вольфрам – рений 95% W + 5% Re Сплав платинородий 70% Pt + 30% Rh Сплав платинородий 90% Pt + 10% Rh Сплав хромель*

Сплав вольфрам – рений 80% W + 20% Re Сплав платинородий 94% Pt + 6% Rh Платина (Pt)

Диапазон измерения, °С 0… 2200

Верхний предел измерения при кратковременном пользовании, °С 2500

300 … 1600

1800

0… 1300

1600

Сплав алюмель**

–200 1300 … +1000 ТХК ХК Сплав хромель* Сплав копель*** –200 800 … +600 ТМК МК Медь (Cu) Сплав копель*** –200 100 … +100 Составы сплавов : * хромель 90,5 % Ni + 9,5 % Cr; ** алюмель 94,5 % Ni + 5,5 % Al, Si, Mn, Co; *** копель 56 % Cu + 44 % Ni.

Известны также «производственные» названия термопар, такие как «вольфрам – рений» (ТВР), «платинородий – платина» (ТПП), «хромель – алюмель» (ТХА) и др. Наряду с металлическими термопарами для измерения температур расплавов находят применение неметаллические термопары. Они изготовляются из тугоплавких соединений типа боридов, силицидов, нитридов, карбидов и пр. методами металлокерамики, то есть спеканием прессованных из порошков изделий (рис. 6.4). В

26

этом случае наружный термоэлектрод 1 одновременно выполняет роль защиты внутреннего электрода 2. Из числа подобных термопар для длительного (до 50 … 100 ч) измерения температуры расплавленных чугуна и стали известна термопара ТГБЦ – 350м с наружным термоэлектродом из борида циркония и внутренним из графита. Перспективным для изготовления наружных термоэлектродов является дисилицид молибдена, который не смачивается жидкой сталью. 1 2 3,5 ∅6 ∅ 20 455 Рис.6.4. Неметаллическая термопара 6.3. Вторичные приборы к термопарам В комплекте с термопарами используются вторичные приборы следующих разновидностей: 1) милливольтметры, 2) потенциометры, 3) цифровые приборы. Милливольтметры являются электроизмерительными приборами магнитоэлектрической системы. Несмотря на многообразие форм таких приборов, их общий принцип действия основан на отклонении проводника с током в поле постоянного магнита. На проводник при этом действует сила, Н

F=I Bl,

(6.5)

где I - ток, А; B - магнитная индукция, Тесла ; l - длина проводника, м. Примечание. 1 Тесла (Т) в системе производных единиц СИ имеет размерность 1 Н / ( А · м). Под действием силы F проводник и связанная с ним стрелка прибора отклоняются на угол φ (рис. 6.5)

27

ϕ =k I ,

( 6.6)

где k – конструктивный коэффициент пропорциональности, М – милливольтметр, Т – термопара. После этого подвижная система прибора уравновешивается упругим противодействием спиральных пружинок, имеющихся в составе милливольтметра.

θ°С М

0

ϕ

т ° Рис. 6.5. К пояснению принципа действия милливольтметра С учетом закона Ома для всей цепи:

I=

E AB (θ ; θ0 ) n

∑R i =1

,

(6.7)

i

где n - сумма всех сопротивлений цепи, Ом, в состав которой входит сопротивление самой термопары, соединительных проводов и внутреннее сопротивление прибора, уравнение (6.6) преобразуется к виду

ϕ =k

E AB (θ ; θ0 ) n

∑R i =1

,

(6.8)

i

Отсюда следует, что показания милливольтметра определяются не только величинами E AB (θ ; θ0 ) , но зависят также от суммарного сопротивления термоэлектрической цепи. Это считается недос-

28

татком милливольтметров как вторичных приборов к термопарам, n

требующим стабилизации значения

∑R i =1

i

. Номинальное сопротив-

ление внешней цепи указывается на шкале милливольтметра. Для того, чтобы исключить влияние температуры свободных спаев на результат измерения, эту температуру в некоторых конструкциях поддерживают постоянной путем автоматической стабилизации на уровне, например, θ0 = 50 0C. Практически чаще поправку на температуру свободных спаев термопары вводят путем смещения стрелки милливольтметра с нуля на фактическое значение θ0, 0С перед началом измерения при разомкнутой цепи термопары. Класс точности промышленных милливольтметров не выше, чем 1,0 … 1,5. Потенциометры являются более совершенными, но и более сложными вторичными приборами. Их принцип действия основан на уравновешивании (компенсации) измеряемой ТЭДС термопары разностью потенциалов от вспомогательного источника электропитания. С достижением такого уравновешивания ток в цепи термопары исчезает. Поэтому сопротивление термоэлектрической цепи не оказывает никакого влияния на результат измерения. Приведение измерительной системы к равновесию в различных конструкциях приборов осуществляется как вручную (прецизионные потенциометры для экспериментальных исследований), так и автоматически. Принципиальная схема автоматического электронного потенциометра (рис. 6.6) содержит следующие элементы: - сетевой источник питания стабилизированный ИПС; - реохорд R, представляющий собой калиброванное переменное сопротивление со скользящим контактом С, изготовленное таким образом, что на каждую единицу длины приходится одинаковое количество Ом; - термопара Т; - входное сопротивление Rвх системы уравновешивания; - электронный блок ЭБ; - реверсивный электродвигатель РД. Через реохорд постоянно протекает рабочий ток iр = const. Перемещая скользящий контакт по реохорду, можно найти такое его положение, при котором ТЭДС термопары Eт окажется уравновешенной разностью потенциалов U AС между точками А и С реохорда:

29

E т = U AС ,

(6.8)

причем на основании закона Ома

U AС = iр ⋅ R AC ,

(6.9)

где RAC - сопротивление участка АС реохорда. Из свойств реохорда как равномерного сопротивления

RAC = k ⋅ l AC ,

(6.10)

где lAC - длина участка АС реохорда, служащая координатой положения скользящего контакта; k – конструктивная постоянная.

Рис.6.5. Принципиальная схема автоматического электронного потенциометра Поэтому в момент равновесия схемы имеем

30

E T = E AС (θ ; θ0 ) = k ⋅ ip ⋅ l AC .

(6.11)

Таким образом, мерой измеряемой ТЭДС термопары здесь является координата положения скользящего контакта на реохорде в равновесном состоянии измерительной системы. При всяком нарушении равенства (6.11) через входное сопротивление Rвх, находящееся в термоэлектрической цепи, начинает протекать ток и возникает входное напряжение Uвх Этот сигнал с помощью электронного блока ЭБ из постоянного преобразуется в переменный, усиливается сначала по напряжению, а затем по мощности. В ответ приводится в действие электродвигатель ЭД, перемещающий скользящий контакт С и связанный с ним указатель прибора относительно показанной на рис. 6.6 шкалы Ш до восстановления равновесия схемы. Электронные потенциометры автоматически вводят поправку на температуру свободных спаев. Для этого к термопаре подключают специальные термоэлектродные провода, концы которых выводят на клеммы потенциометра. Материалы этих проводов выбраны с таким расчетом, чтобы в цепи термопары не возникало паразитной ТЭДС. Класс точности автоматических электронных потенциометров 0,25 или 0,5. Современные цифровые вторичные приборы также действуют по компенсационному принципу (рис. 6.7). Eт

Uк

0

t, c

Рис. 6.7. К объяснению принципа действия цифрового вторичного прибора

31

В составе прибора имеется генератор тактовых импульсов ГТИ, вырабатывающий последовательность импульсов постоянной частоты. Импульсы суммируются счетчиком до тех пор, пока компенсирующее напряжение Uk на выходе цифроаналогового преобразователя меньше измеряемой ТЭДС термопары ET. В момент достижения равенства ET = Uk ГТИ автоматически блокируется нульорганом НО, формируется сигнал на считывание накопленного числа импульсов цифровым индикатором, счетчик обнуляется и повторяется следующий цикл измерения [1], с. 117. Вопросы для самопроверки 1. 2. 3. 4. 5.

Из каких элементов состоит термоэлектрический термометр? Назовите причину возникновения термоэлектродвижущей силы в термопаре. Охарактеризуйте стандартные (проволочные) термопары. Как вводят поправку на температуру свободных спаев термопары? Почему показания магнитоэлектрического милливольтметра зависят от сопротивления термоэлектрической цепи? 6. Опишите схему электронного потенциометра и назовите достоинства принципа действия, положенного в основу его работы. 7. Охарактеризуйте принцип действия цифрового вторичного прибора к термопаре.

7. Пирометры излучения Действие пирометров излучения основано на использовании законов теплового излучения. Как известно, любое нагретое тело становится источником электромагнитных волн (ультрафиолетовое, световое, инфракрасное излучение, микрорадиоволны). Интенсивность излучения J, то есть мощность излучения с единицы поверхности тела, отнесенная к данной длине волны, выражается законом Планка. Для абсолютно черного тела этот закон выражается формулой, Вт/м3, или Вт/м2/м:

C1 λ −5 J 0λ = C2 /( λT ) , −1 e где C1 = 0,374 ⋅ 10 – 15 Вт ⋅ м2 ; C2 = 1,439 ⋅10 –2 м ⋅ К ; λ – длина волны, м;

(7.1)

32

T – абсолютная температура тела, K. Таки образом, интенсивность излучения оказывается функцией длины волны и температуры (рис. 7.1). Отметим, что в пределах длин волн от А = 200 до В = 400 нм лежит ближний ультрафиолетовый диапазон спектра, от В = 400 до С = 750 нм – световой диапазон, от С = 750 нм до D ∼ 1 мм – инфракрасный диапазон, выше предела D располагается диапазон микрорадиоволн. Напомним, что 1 нм (нанометр) равен 10 –9 м. Значению А = 400 нм соответствует фиолетовая граница видимой части спектра, а В = 750 нм – красная граница. Интегрирование формулы закона Планка в пределах всевозможных (теоретически) длин волн приводит к выражению полной

Рис. 7.1. Графическая иллюстрация закона Планка ( λm - длина волны, на которую приходится максимум интенсивности излучения) излучательной способности тела, известному как закон Стефана и Больцмана, Вт/м2 ∞

E 0 = ∫ J 0 d λ = σ0 T 4 ,

(7.2)

0

где σ0 = 5,67 ⋅ 10 –8 , Вт / (м2 ⋅К4) – коэффициент излучения абсолютно черного тела.

33

Величина E0 графически соответствует заштрихованной на рис. 7.1 площади под кривой распределения интенсивности излучения по длинам волн при данной температуре. Все пирометры излучения в процессе изготовления градуируются по стандартному излучателю – модели абсолютно черного тела. На практике приходится измерять температуру реальных тел, свойства которых отличаются от свойств абсолютно черного тела. Интенсивность излучения J и излучательная способность E реальных тел при одной и той же температуре меньше аналогичных величин, присущих абсолютно черному телу. Это выражается соотношениями:

J λ = ελ J 0 λ ,

(7.3)

E = ε E0 ,

(7.4)

где ελ < 1 спектральная и ε < 1 – интегральная степени черноты тела. Реальные тела подразделяются на серые и селективно (то есть, избирательно) излучающие. У серых тел значение ελ не зависит от длины волны, тогда как у селективно излучающих тел ελ = f (λ) . К серым телам, как правило, относятся различные оксиды, следовательно – огнеупорные материалы, шлаки. Селективно излучают чистые (неокисленные) металлические поверхности в твердом и жидком состояниях, например, при вакуумной плавке, а также – пламя при сжигании различных видов топлива в металлургических печах. Примерные значения спектральной и интегральной степени черноты для часто встречающихся случаев приведены в табл. 7.1. С использованием законов излучения можно определить три вида кажущихся, то есть псевдотемператур. Такими температурами оказываются: 1) яркостная (монохроматическая); 2) радиационная (полного излучения); 3) цветовая (спектрального отношения). Сравнительные характеристики методов измерения этих температур представлены в табл. 7.2. Поясним, что монохроматическим излучением называют излучение одной (данной) длины волны λ Такое излучение выделяется

34

из полного с помощью специальных светофильтров (цветных стекол, монохроматоров), каждый из которых характеризуется определенным значением эффективной длины волны λэфф пропускаемого излучения. Например, у красного светофильтра λэфф = 650 нм. Поскольку в практике измерения температур имеет место неполнота излучения (степени черноты меньше единицы), использование пирометров, градуированных по излучению абсолютно черного тела, сопровождается дополнительными (методическими) погрешностями. Для оценки этих погрешностей могут быть использованы формулы, выводимые из выражения закона Планка: - для яркостного метода

1 1 λ 1 − = ln ; Tя T C 2 ελ

(7.5)

- для радиационного метода

Tp = T 4 ε ;

(7.6)

- для цветового метода 1 1 ln ( ελ1 / ελ 2 ) − = , (7.7) T Tц C ( 1 − 1 ) 2 λ1 λ 2 где T – истинная температура, K. Результаты сравнительного анализа методических погрешностей рассматриваемых методов измерения температур (табл. 7.2) показывают, что в практических условиях (то есть при ελ<1; ε< 1) яркостная и радиационная температуры оказываются ниже истинной, то есть Tя < Т ; Тр < Т. Однако при одной и той же истинной температуре Т имеет место важное соотношение Тр < Tя < Т

(7.8)

Особенность цветового метода, при котором температура Tц определяется по отношению интенсивностей излучения при двух различных длинах волн λ1 и λ2, заключается в том, что методическая погрешность отсутствует не только при измерении температу-

35

ры абсолютно черного тела, но также и при измерении температуры серых тел. Действительно, у каждого из таких тел степень черноты при любой длине волны одинакова, то есть ελ1 = ελ2. Поэтому из формулы (7.7) следует, что ln(ελ1 / ελ2) = 0 и Тц =Т. Без методической погрешности цветовым пирометром можно измерять температуру сквозь слой пыли или дыма. Эти среды относятся к числу серых тел. Они в одинаковой степени ослабляют интенсивности Jλ1 и Jλ2, не изменяя их отношения как меру цветовой температуры Методическая погрешность цветового метода появляется лишь при измерении температуры селективно излучающих тел. У них, как правило, спектральная степень черноты с ростом длины волны уменьшается (рис. 7.2). Таблица 7.1 Спектральная и интегральная степени черноты для различных материалов (ориентировочно) Интегральная степень черноты 0,38

Материал

Температура, °С

Сталь углеродистая жидкая, неокисленная Сталь хромистая и хромоникелевая, окисленная Шлак сталеплавильных печей Чугун жидкий неокисленный Чугун жидкий окисленный Струя чугуна и стали при выпуске из печи или сливе из ковша Медь расплавленная неокисленная Различные огнеупорные материалы

1450 … 1550

Спектральная степень черноты ελ при λ = 650 нм 0,3 … 0,4

1500

1600

0,7 … 0,8

1400 … 1600

0,55 … 0,9

0,55 … 0,9

>1375

0,4 … 0,45

0,28

>1380

0,87 … 0,95

0,87 … 0,95

>1400

0,5 … 0,55

0,6

1075 … 1275

0,10 … 0,15

0,65 … 0,8

1000

0,83 … 0,87

0,83 … 0,87

36

Таблица 7.2 Сравнительная характеристика методов измерения температуры по тепловому излучению тел

Метод

Обозначение температуры, К

Яркостный (монохроматический)

Тя

Радиационный (полного излучения) Цветовой спектрального отношения)

Тр

Тц

Мера температуры Интенсивность монохроматического излучения J λ, Вт/м3

Факторы, методически влияющие на точность измерения Спектральная степень черноты ελ контролируемого тела

Полная излучательная способность тела Е, Вт/м2 Отношение интенсивностей излучения Jλ1/Jλ2 при двух различных длинах волн λ1 и λ 2

Интегральная степень черноты ε контролируемого тела Отношение спектральных степеней черноты ελ1/ελ2 при данных длинах волн λ1 и λ2

Оценка методической погрешности

Тя = Т при ελ = 1; Тя < Т при ελ < 1 Тр = Т при ε = 1; Тр < Т при ε < 1 Тц = Т при ελ1 = ελ2 ; Тц > Т при ελ1 > ελ2, где λ1 < λ2

ελ ελ1 ελ2

λ

0 λ1

λ2

Рис. 7.2. Зависимость спектральной степени черноты от длины волны селективно излучающих тел. Именно поэтому при λ1 < λ2 имеет место ελ1 > ελ2, ln(ελ1 / ελ2) >1, и тогда из формулы (7.7) следует, что Тц > Т . Однако погрешность цветового метода сравнительно невелика и, например, для железа и никеля не превышает 140С.

37

Яркостные и радиационные пирометры часто используют в качестве индикаторов температуры, показания которых не претендуют на точное отражение действительной температуры тела, а скорее служат мерой изменения температуры и отклонения её от значений, требуемых по условиям технологии производства. Если измерить температуру серого тела двумя пирометрами: яркостным и радиационным, то из уравнений (7.5) и (7.6) путем объединения их в систему двух уравнений с двумя неизвестными Т и ε при остальных известных величинах можно найти действительное значение температуры и степени черноты этого тела. Из двух пирометров: яркостного и радиационного типов соотношение (7.8) дает основания рекомендовать к практическому применению яркостный пирометр для измерения температуры открытых объектов, так как радиационный пирометр в условиях неполноты излучения реальных тел (табл. 7.1) обладает значительно большей погрешностью. Вместе с тем, имеется возможность повышения точности измерения с помощью именно этих – простых пирометров за счет искусственного создания объектов измерения в виде замкнутых изотермических полостей (рис. 7.3), внутри которых эффективное значение степени черноты приближается к единице (модель абсолютно черного тела). В первом из решений (рис. 7.3, а) замкнутая полость создается в металле Ме под шлаком Ш с помощью подачи дутья (сжатый воздух, азот, аргон) через сквозную керамическую или металлическую трубу 1, которая при высоких температурах может быть водоохлаждаемой. На эту полость визируется пирометр 2. Во втором решении (рис. 7.3,б) пирометр 3 визируют на дно металлического или керамического стакана 4, погружаемого в расплав или – в рабочее пространство печи. Конструктивно пирометры излучения состоят из датчика (первичного прибора), электронного блока*1 и вторичного прибора в виде быстродействующего электронного потенциометра. В состав датчика входят объектив, монохроматоры (у яркостных и цветовых пирометров) и приемник излучения. У автоматических – фотоэлектрических яркостных и цветовых пирометров приемником излучения служит фотоэлемент, а у радиационных пирометров – рабочие спаи миниатюрных термопар, соединённых между собой последовательно для повышения чувствительности прибора.

1

Этот блок отсутствует у радиационных пирометров, конструктивно оказывающихся наиболее простыми.

38

Рис.7.3. Использование пирометров излучения для измерения температуры расплавов В электронном блоке формируется электрический сигнал, отражающий значение измеряемой температуры. Этот сигнал воспринимается вторичным прибором, который показывает эту температуру, а при необходимости регистрирует её на диаграммной бумаге. Наиболее сложным электронный блок оказывается у цветовых пирометров. Здесь применяется микропроцессорная техника для вычисления отношения интенсивностей излучения при двух различных длинах волн в преобразования его в результирующий сигнал в соответствии с уравнением (7.7). Поэтому цветовые пирометры в конструктивном отношении оказываются наиболее сложными и дорогими. Технические характеристики пирометров излучения приведены в литературе [1]. Вопросы для самопроверки 1.Как зависит интенсивность излучения нагретого тела от длины волны и температуры? 2.Каким образом связаны между собой интенсивность излучения и полная излучательная способность тела? 3.В чём заключается различие между абсолютно чёрным, серым и селективно излучающим телом? 4.Какова степень черноты неокисленных металлов и оксидов, и как она влияет на точность измерения температуры? 5.Сравните результаты измерения температуры металлов в процессе плавки и разливки яркостным, радиационным и цветовым методами.

39

6.Каково соотношение между этими температурами при одинаковых условиях измерения? 7.Как можно определить истинную температуру серого тела по известным значениям его яркостной и радиационной температур? 8.Каким образом можно искусственно повысить точность измерения температуры металлических расплавов пирометрами излучения?

8. Контроль уровня жидкостей и сыпучих материалов Объектами автоматического контроля уровня в литейном производстве обычно оказываются как открытые, так и находящиеся под давлением резервуары для хранения жидких компонентов формовочных и стержневых смесей, а также бункеры для сыпучих компонентов тех же смесей и шихтовых материалов плавки. В ряде случаев уровень шихты контролируется непосредственно в плавильной печи, например, в шахте вагранки. Устройства для контроля уровня подразделяются на уровнемеры и сигнализаторы уровня. Первые из них обеспечивают возможность непрерывного измерения уровня в определенном диапазоне, а вторые – сигнализируют о достижении уровнем контролируемой среды некоторых предельных значений. Ряд приборов контроля уровня сочетает в себе признаки как уровнемеров, так и сигнализаторов уровня. Различие в диэлектрической проницаемости материалов, применяемых в литейных процессах (табл. 8.1) позволяет контролировать уровень этих материалов ёмкостным методом. Известно, что ёмкость конденсатора (например плоского) определяется выражением, Ф

C =

εaS , d

(8.1)

где S – поверхность одной пластины конденсатора, м2; d – расстояние между пластинами, м; εа – абсолютная диэлектрическая проницаемость среды между пластинами, Ф/м: εa = ε⋅ ε0 , (8.2) причём ε0 = 8,85 ⋅ 10 –12 Ф/м – электрическая постоянная;

40

ε – относительная диэлектрическая проницаемость (табл.8.1). Для вакуума и воздуха ε = 1. Таблица 8.1 Диэлектрическая проницаемость при 20°С Вещество 1. Воздух 2. Вода 3. Жидкое стекло 4. Песок кварцевый

Значение ε (по отношению к вакууму) 1 81 5 … 19 6…7

Этот и другие методы охарактеризованы в табл. 8.2. Таблица 8.2 Принципиальные особенности методов и приборов контроля уровня Метод

Прибор Поплавковые уровнемеры (сигнализаторы уровня) Буйковые уровнемеры (сигнализаторы уровня)

Механический

Лебёдочные (зондовые) уровнемеры и сигнализаторы уровня Крыльчатые сигнализаторы уровня

Принцип действия прибора Использование перемещения поплавка, плавающего в контролируемой среде Использование подъёмной силы буйка, погруженного в контролируемую среду Определение уровня по контакту с ним перемещаемого в пространстве зонда Торможение крыльчатки контролируемой средой

Область применения Жидкости в открытых резервуарах и сосудах, находящихся под давлением Измерение и сигнализация уровня шихтовых материалов в вагранках Сигнализация уровня сыпучих материалов на участках смесеприготовления и регенерации формовочных материалов

41

Продолжение таблицы 8.2 Электромеханические сигнализаторы наличия материалов Электро- Электроконтакткондук- ные сигнализатотометри- ры наличия матеческий риалов Ёмкост- Ёмкостные уровный немеры и сигнализаторы уровня

Фотоэлектрический

Сигнализаторы уровня типа фотореле

Гидростатический

Пьезометрические уровнемеры и сигнализаторы уровня Мембранные

Радиоизотопный

Уровнемеры и сигнализаторы уровня

Радио- Уровнемеры волновые

Отклонение металлической гребёнки и срабатывание электрического выходного устройства Измерение сопротивления между тросовым электродом и контактирующим с ним материалом Влияние уровня среды между обкладками конденсаторного на его ёмкость Использование «холодной» контролируемой среды в качестве непрозрачного экрана между источником света и светоприёмником Использование «горячей среды в качестве осветителя светоприёмника Определение уровня по давлению газа, продувающего контролируемую среду Определение уровня по давлению среды на мембрану

Определение уровня контролируемой среды по поглощению ею гамма излучения Локация уровня среды ультракороткими радиоволнами

Сигнализация наличия материала на ленте транспортёра Измерение и сигнализация уровня жидкостей Сигнализация уровня сыпучих материалов в бункерах Сигнализация уровня металла при заливке форм Жидкости в открытых резервуарах и сосудах под давлением Жидкости в открытых резервуарах или сыпучие материалы при отсутствии налипания на мембрану Любые материалы в открытых резервуарах и сосудах под давлением Любые среды в широком интервале температур (до 1500°С) и давлений от вакуума до 36 МПа

42

Устройство для контроля уровня продукта, нагреваемого в аппарате кипящего слоя, например, при сушке кварцевого песка или – регенерации оборотных формовочных смесей может быть выполнено согласно авторскому свидетельству СССР № 272620. Вопросы для самопроверки 1. Чем отличается уровнемер от сигнализатора уровня? 2. На чём основан ёмкостный метод контроля уровня жидкостей? 3. Какие из приборов контроля уровня жидкостей могут быть использованы в сосудах, находящихся под давлением? 4. Оцените эксплуатационную надёжность фотоэлектрических сигнализаторов уровня в производственных условиях литейных цехов.

9. Измерение силы и массы Техника измерения механических усилий иногда имеет самостоятельное значение, например, при оценке давления формовочной смеси на модельную плиту в некоторых процессах уплотнения смесей при формовке. Чаще различные силоизмерительные датчики применяются в составе взвешивающих устройств (автоматических весах и дозаторах), где через посредство измерения силы тяжести FТ, Н определенной порции, например, формовочного материала определяется ее масса m, кг согласно выражению

m=

Fт , g

(9.1)

где g = 9,81 м/с2 – ускорение земного тяготения. Силоизмерительные датчики по методу измерения нагрузки подразделяются на две группы: 1) датчики с ощутимым перемещением своих конструктивных элементов и преобразованием деформации упругого (пружинного) чувствительного элемента в электрический сигнал; 2) датчики без видимого перемещения элементов конструкции. Принцип действия силоизмерительного датчика первой группы (рис. 9.1) заключается в том, что под действием силы тяжести FТ материала, находящегося на платформе 1, упруго деформируется пружина 2. Ее деформация (сжатие) пропорционально значению этой силы. С платформой с помощью штока 3 связан железный сердечник 4 дифференциально-трансформаторного преобразова-

43

теля 5. Последний содержит первичную обмотку (среднюю на рис. 9.1) и две секции вторичной обмотки. Витки этих секций соединены навстречу друг другу. При ненагруженной платформе настройку осуществляют таким образом, что сердечник находится в среднем положении.

Рис. 9.1. Пример исполнения пружинного датчика автоматического взвешивающего устройства В результате ЭВС индукции Е2а и Е2в, возбуждаемые в секциях вторичной обмотки, оказываются одинаковыми и выходной сигнал Евых. = Е2а – Е2в = 0.

(9.2)

Под нагрузкой платформа и сердечник смещаются вниз, одна из ЭДС индукции на выходе датчика возрастает, другая уменьшается. Поэтому на выходе возникает электрический сигнал Евых. = Е2а – Е2в,

(9.3)

пропорциональный смещению от первоначального положения сердечника, и, следовательно, - измеряемой нагрузке. Датчики первой группы целесообразно применять во взвешивающих устройствах, подверженных воздействию ударных нагрузок, например, ударов тяжелых кусков металлошихты при дозировании материалов плавки. Благодаря демпфирующему действию

44

пружин здесь исключается возникновение остаточной деформации элементов датчика. Работа силоизмерительных датчиков второй группы основана на использовании некоторых эффектов, непосредственно преобразуемых в электрический сигнал. На практике наибольшее распространение получили тензорезистивный эффект и явление магнитной анизотропии. Тензорезистивный эффект проявляется в изменении электрического сопротивления металлической проволоки или фольги, наклеенных на поверхность несущего элемента конструкции силоизмерителя, который упруго деформируется под действием контролируемой нагрузки. Явление магнитной анизотропии заключается в том, что упругая деформация некоторых материалов, например, железохромалюминиевой стали, сопровождается изменением их магнитной проницаемости по различным направлениям. Для материала с положительной магнитострикцией магнитная проницаемость в направлении действия силы уменьшается, а в перпендикулярном направлении – возрастает. В схеме тензорезисторного датчика (рис. 9.2, а) на противоположных гранях стальной призмы 5 специальным клеем наклеены четыре тензорезисторных преобразователя 1…4.

Рис. 9.2. Тензорезисторный (а) и магнитоанизотропный (б) датчики Призма под нагрузкой силами F упруго деформируется. Витки двух из преобразователей (2 и 4) ориентированы в направлении деформации, а витки двух других (1 и 3) – в перпендикулярном на-

45

правлении. Материал преобразователей упруго деформируется вместе с призмой. В результате изменяется его электрическое сопротивление R, Ом в соответствии с формулой

R =ρ

l , S

(9.3)

где ρ - удельное сопротивление, Ом ⋅ мм2 / м ; l - длина, м; S - площадь поперечного сечения преобразователя, мм2. Так, в направлении деформации сокращается длина преобразователя, площадь поперечного сечения увеличивается. Изменяется также удельное сопротивление вследствие деформации кристаллической решетки. Отдельные преобразователи соединяют в мостовую схему. Это повышает чувствительность и позволяет уменьшить дополнительную температурную погрешность, возникающую из-за температурного изменения величины ρ.

• R1 •

R3 •

Uпит

R2

•

•

• Uвых •

R4 •

Рис.9.3. Соединение тензорезисторных датчиков в мостовую схему (Uпит – напряжение питания; Uвых – выходное напряжение) При при равновесном соотношении начальных значений сопротивлений отдельных плеч моста R01 … R04

46

R01 R03 = R02 R04 имеет место Uвых = 0. Если же под нагрузкой сопротивления противоположных плеч моста приобретают значения R2 = R02 + ΔR; R3 = R03 + ΔR, то выходное напряжение становится равным 1 ΔR U вых = U пит , (9.4) 2 R0 где R0 – начальные значения всех сопротивлений. Этот сигнал в два раза выше, чем при изменении сопротивления только одного плеча. В сердечнике 6 магнитоанизотропного датчика (рис. 9.2, б), монолитном или шихтованном наподобие сердечника обычного трансформатора (для подавления вихревых токов в железе), просверлено четыре сквозных отверстия. В них размещены витки двух обмоток 7 и 8 во взаимно перпендикулярных плоскостях. К одной из этих обмоток – обмотке возбуждения 7 подводится стабилизированное напряжение переменного тока, а другая – 8 является выходной. При отсутствии нагрузки F материал сердечника изотропен. Магнитные силовые линии обмотки возбуждения не пересекают плоскость витков вторичной обмотки, и в ней не возбуждается ЭДС индукции. С нагружением датчика материал сердечника становится магнитно анизотропным. Силовые линии магнитного поля обмотки возбуждения пересекают плоскость витков выходной обмотки, и в ней возбуждается ЭДС индукции, практически пропорциональная внешнему усилию. Для повышения чувствительности отдельные датчики объединяют в секции, причем выходные обмотки датчиков последовательно соединяют между собой. Тензометрические датчики обладают более высокой точностью, но меньшей надежностью в условиях ударных нагрузок, способных вызвать отслоение преобразователя от несущего элемента или остаточную деформацию и нарушить градуировочную характеристику. Магнитоанизотропные датчики несколько уступают в точности тензорезисторным, но обладают более высокой помехозащищенностью и эксплуатационной надежностью. Вопросы для самопроверки

47

1. Какие из силоизмерительных (массоизмерительных) датчиков более надёжны в условиях действия ударных нагрузок? 2. Опишите принцип действия дифференциально – трансформаторного датчика. 3. Почему и как изменяется сопротивление тензодатчика под нагрузкой? 4. Для чего тензодатчики включают в состав мостовой электрической схемы? 5. Из какого материала изготовляют сердечник магнитоупругого датчика?

10. Измерение скорости деталей машин и механизмов Контроль скорости поступательного движения различных объектов обычно осуществляется по частоте вращения вала электродвигателя в системе их привода. Приборы для измерения частоты вращения известны под общим названием тахометров. В составе оборудования металлургических цехов широкое распространение получила частная разновидность тахометров в виде тахогенераторов. Тахогенератор представляет собой микроэлектромашину генераторного типа, вал которой кинематически связан с одним из валов системы привода контролируемого объекта. Якорь (ротор) тахогенератора вращается с частотой, пропорциональной частоте электропривода. В результате этого генерируется выходной сигнал в форме напряжения (аналоговый сигнал) или частоты электрического тока в отдельных решениях – частоты импульсов. Среди тахогенераторов с аналоговым выходом различают тахогенераторы постоянного и переменного тока. Погрешность приборов постоянного тока обычно лежит в пределах 2…3 %, а у приборов переменного тока 1,5…2 %. [1], с. 38…40. В ряде задач требуется измерять частоту вращения с погрешностью не более 0,5 %. Решение этой задачи единственно возможно по базе применения частотных и импульсных тахогенераторов. Более высокая точность тахогенераторов с частотным выходом и импульсных обусловлена тем, что частота генерируемого напряжения или последовательности электрических импульсов однозначно определяется значением измеряемой скорости и не зависит от температуры, возбуждающего напряжения, сопротивления соединительной цепи, её емкости, индуктивности и других факторов.

11. Контроль состава и свойств вещества

48

Для управления металлургическими (литейными) процессами необходима оперативная информация о химическом составе шихтовых материалов, металла и шлака в процессе плавки, составе газов плавильных печей, плотности вещества, влажности формовочных и стержневых смесей и т.п. 11.1. Экспресс-анализ металла и шлака Известно, что наибольшую точность обеспечивают химические методы анализа. Однако при необходимости получения результата определения содержания практически любых элементов металла и компонентов в шлаке широко применяются экспрессные физические (инструментальные) методы. Таблица 11.1 Сравнительные характеристики спектральных методов анализа металлов и шлаков Метод

Сущность метода

Мера содержания определяемого элемента Интенсивность СпекБомбардировка характеристичетральный образца металла рентгено – или шлака корот- ского излучения определённых флуорескими волнами длин волн, завицентный рентгеновского сящая от конизлучения. В рецентрации данзультате атомы каждого элемента ного элемента испускают вторичное характеристическое излучение тех длин волн, которые характерны для данного элемента. Интенсивность Возбуждение Спектральный спектров атомов и спектральных эмиссион- молекул в облаке аналитических линий возбужный ваку- электрического дённых атомов и разряда умный молекул вещества

Достоинства

Недостатки

Простота устройства приборов, высокая чувствительность и точность. Независимость результата анализа от вида химических соединений, в составе которых данный элемент находится. Более широкая гамма определяемых элементов. но менее высокая точность и чувствитель-

Невозможность определения лёгких элементов, от углерода включительно

Более высокая сложность приборов и меньшая их точность

49

ность Примечание. Поддержание вакуума в спектрометре позволяет исключить эффекты ионизации молекул воздуха и поглощения лучистой энергии на пути от облака электрического разряда до лучеприёмника

Существуют также упрощенные, но менее точные косвенные методы контроля состава металлов. Так, содержание углерода в стали и углеродный эквивалент чугуна определяют по температуре ликвидуса [10], по термоэлектродвижущей силе [11], по магнитным свойствам [12]. Для измерения активности в жидкой стали применяют активометры периодического [10] и непрерывного [8] действия.

11.2. Определение состава газов В металлургическом, в том числе и литейном, производстве, контролируют составы продуктов сгорания топлива в плавильных и термических печах, атмосферы литейной формы, газов, растворённых в металлах и сплавах и пр. Состав газовой смеси вообще может быть определен по её спектральным и интегральным характеристикам. Спектральная характеристика однозначно определяет каждый компонент газовой смеси, как качественно, так и количественно. В отличие от этого, интегральные характеристики являются совокупными, то есть определяют состав газовой смеси по её общим физико-химическим свойствам. Для обеспечения бесперебойной работы газоанализатора необходимо специальное формирование газовой пробы: её охлаждение до нормальной температуры, стабилизация давления и расхода (в том числе – с помощью оригинальных устройств [13,14]), удаления влаги, очистка от частиц пыли, в отдельных случаях – удаление некоторых неопределяемых компонентов. Из всех методов газового анализа самым точным является химический метод. В различных вариантах реализации он основан на избирательном поглощении компонентов анализируемой газовой смеси специально подобранными химическими реактивами или сжигании горючих компонентов с последующим определение сокращения объёма пробы газа при постоянном давлении (волюметрический метод) или её давления при постоянном объёме (манометрический метод). Названные показатели состава газовой смеси

50

(объём или давление) относятся к числу спектральных характеристик. В результате каждый компонент определяется вне зависимости от присутствия других компонентов анализируемого газа. Однако химический метод оказывается достаточно длительным, а его непрерывная, в том числе и автоматическая реализация, как правило, достаточно сложна. Промышленные образцы химических газоанализаторов позволяют определить объемную концентрацию отдельных компонентов газовой смеси с погрешностью не более 0,1%. В настоящее время широко распространение получили различные физические методы газового анализа (табл. 11.1).

Таблица 11.1 Промышленные анализаторы газов и их характеристики

Тип 1. Термокондуктометрические

Физическая характеристика

Анализируемые смеси

Интегральная Бинарные или

Мера состава газа Теплопроводность анализируемого газа в сравнении с теплопроводностью эталонного газа

Определяемые компоненты Н2 ; CO

Назначение, диапазон измерения, % Любые смеси, 0 … 100

51

2.Термохимические

3.Магнитные

квазибинарные

Спектрально – интегральная

4. ЭлекСпектрохимитральная ческий 5.Оптикоакустические Спектральная

Теплота сгорания горючих компонентов в смеси с воздухом или на твёрдом катализаторе – окислителе Интенсивность термомагнитной конвекции

Н2 ; CO; Горючие Н2 + CO компоненты в газовых смесях, 0 … 10

О2 Любые

ЭДС твёрдоэлектролитного датчика Интенсивность СО; CO2 поглощения инфракрасного излучения в заданном диапазоне длин волн

Кислород в продуктах сгорания топлива, 0 … 10 Продукты сгорания топлива, от 0 … 1 до 0 … 100

Продолжение таблицы 11.1 6.Хроматографы

Спектральная при специально подобранных сорбентах

Площадь пика хроматограммы или высота пиЛюбые Любые ка при постоянном объеме пробы

Универсальное, 0…100

52

7. Массспектрометры Спектральная

Интенсивность ионных потоков в поперечном магнитном поле при различном отношении масс ионов к их зарядам

Любые

Непрерывный контроль состава сложных газовых смесей по отдельным компонентам, 0 … 100

Каждый из газоанализаторов первых четырёх типов предназначен для определения одного из компонентов исследуемой газовой смеси в соответствии с условиями градуировки на заводе – изготовителе. Анализируемые бинарные смеси должны содержать только два компонента, от совокупной теплопроводности которых зависят показания газоанализатора. Квазибинарные газовые смеси характеризуются переменным содержанием только одного – анализируемого газа, тогда как соотношение между концентрациями остальных компонентов должно оставаться постоянным. Термокондуктометрический метод существует благодаря тому, что коэффициент теплопроводности, например, водорода почти в семь раз превышает коэффициент теплопроводности воздуха, азота, кислорода, и большинства двухатомных газов, а коэффициент теплопроводности СО2 почти в 2 раза ниже, чем у тех же газов. Аномально высокая магнитная восприимчивость характерна только для таких газов, как О2 и NO, однако для металлургических процессов актуальным оказывается контроль содержания именно кислорода в продуктах сгорания топлива. Оптико - акустические газоанализаторы недостаточно надёжны в эксплуатации. Из-за сложности устройства масс - спектрометров, их высокой стоимости и необходимости в высококвалифицированном обслуживании, для осуществления многокомпонентного контроля состава газовых смесей в литейном производстве следует ориентироваться на применение газо-адсорбционных хроматографов. Принцип их действия основан на разделении компонентов пробы газовой смеси, введенной в поток газа - носителя (аргон, гелий), на составляющие компоненты при протекании через слой твердого сорбента. При этом в результате много- численных актов адсорбции – десорбции на поверхности сорбента каждый компонент проходит через сорбент со своей индивидуальной и присущей только ему ско-

53

ростью. Появление компонента на выходе газоаналитической системы обнаруживается детектором, например, по теплопроводности (катарометр). В результате самописец подключенный к детектору, вычерчивает соответствующий пик на диаграммной бумаге. Время регистрации пика от момента ввода пробы позволяет качественно идентифицировать компонент, а геометрические параметры пика (см. табл. 11.1) характеризируют количественное содержание компонента в пробе. Кафедрой металлургии и литейного производства СЗТУ под научным руководство автора осуществлена модернизация серийного лабораторного хроматографа ЛХМ-8МД с целью расширения гаммы компонентов, определяемых из одной пробы. Для этого применены комбинированные хроматографические колонки (трубки, свернутые в спираль для сокращения габаритных размеров), первая по ходу газа - носителя секция которых заполнена полимерным сорбентом «Полисорб -1», а вторая - цеолитом (молекулярным ситом) 13Х. За каждой из секций включён детекторкатарометр, причём оба детектора соединены между собой дифференциально. «Полисорб -1» хорошо разделяет компоненты с полярными молекулами, какие как H2O, CO2, SO2 . Сорбент 13Х успешно разделяет простые низкокипящие газы: Н2, О2, N2, CH4, CO. Выбор применяемого сорбента обычно осуществляет сам исследователь в соответствии с поставленными перед ним задачами. В состав хроматографа (рис.11.1) входят следующие элементы: 1– сетчатый фильтр; 2 – осушитель; 3 – регулятор давления (редуктор); 4- игольчатый вентиль; 5- кран-дозатор; 6 и 8 колонки; 7 и 9 детекторы; 10 – индикатор расхода (ротаметр); 11 – вторичный самопишущий прибор; 12 – контрольная склянка с водой; 13 – манометр. Сетчатый фильтр 1 осуществляет очистку газа – носителя от механических частиц, а фильтр – осушитель 2, заполняемый силикагелем, служит для удаления из этого газа паров воды. Начальное давление газа – носителя стабилизируется редуктором 3 и контролируется по манометру 4. Посредством игольчатого вентиля 4 осуществляется дальнейшая тонкая регулировка давления газа – носителя с контролем расхода по индикатору 10.

54

Рис.11.1. Схема модернизированного газового хроматографа ЛХМ-8МД. Газовая проба вводится в поток газа – носителя с помощью крана – дазатора 5. Последний обеспечивает постоянство объема пробы (в выполненных работах 0,1212 см3). Перед вводом пробы входной канал крана-дозатора продувается газом- носителем с контролем по барботированию воды в склянке 12. При исследовании состава атмосферы литейной формы (для дальнейшего расчета ее окислительно - воссстановительного потенциала) пробы газа из разных точек отбирались с помощью медицинского шприца типа “Рекорд” и вводились в кран-дозатор иглой через резиновую мембрану. На хроматограмме (11.2), благодаря постоянному объему пробы, мерой объективного содержания компонента является высота пика.

55

Рис. 11.2. Примерный вид хроматограммы Известны и другие конструкции хроматографов, причем в последнее время выпускаются приборы с автоматической дешифровкой параметров пиков хроматограммы с помощью встроенных микропроцессорных устройств. Класс точности автоматических газоанализаторов находится в пределах 2 ... 5. Известны также конструкции специальных неэлектрических датчиков состава бинарных и квазибинарных газовых смесей в виде неравновесных мостов [39] и струйных устройств [40,41,42].

11.3. Контроль коэффициента избытка воздуха Коэффициент избытка воздуха (называемый также коэффициентом расхода воздуха) представляет собой отношение практического расхода подаваемого в печь воздуха к расходу воздуха, теоретически необходимого по расчёту процесса горения. Этот коэффициент является фактором, активно влияющим на эффективность использования топлива в металлургических печах различного назначения и окислительную способность печной атмосферы. Известны следующие способы контроля коэффициента избытка воздуха. 1) Расчет по известному составу дымовых газов, что для бессернистого топлива может быть выполнено по формуле:

56

α=

1 , N*2 O2 -0,5(CO + H2)-2CH4 1- * × O2 N2

(11.1)

где ( в объемных процентах) N2* и О2*- содержание азота и кислорода в воздухе для горения; N2, O2, H2, CH4, CО - содержание соответствующих компонентов в дымовых газах. При отсутствии химической неполноты горения для оценки значения α можно воспользоваться приближенной формулой:

O*2 α= * . O2 - O2

(11.2)

Следует иметь в виду, что в отходящих газах сталеплавильных печей кроме собственно продуктов сгорания топлива присутствуют и технологические газы, выделяющиеся из ванны в процессе плавки, на что при расчете α следует вводить соответствующие поправки. 2) Непосредственное измерение значения α. Это измерение выполняют при помощи нестандартных устройств, изготавливаемых своими силами и известных под названиями α - индикаторов [46]. 3) Определение α с помощью электрохимических датчиков содержания кислорода в дымовых газах. Такой датчик содержит твёрдотельный электролит, проницаемый для ионов кислорода и заключенный между двумя металлическими мембранами. Последние омываются с одной стороны дымовыми газами с переменным содержанием кислорода, а с другой – воздухом (сравнительным газом) с содержанием кислорода постоянным. В результате датчик является концентрационным элементом, ЭДС которого определяется выражением, В

p1/2 RT O (газ) ln 1/2 2 , Е = 2F pO2 (воздух) где R = 8314

Дж кмоль ⋅ К

–

универсальная газовая постоянная;

(11.3)

57

F = 96484,56 Кл / моль – число Фарадея; p – парцальные давления кислорода в анализируемом газе и воздухе; T – температура датчика, К, которая поддерживается постоянной. Описанный датчик под названием «УКАРСК – 2» разработан и поставляется фирмой Уралэкоавтоматика (г.Свердловск).

11.4. Определение содержания газов в металлах При отборе и хранении пробы металла с целью последующего контроля концентрации растворенных в нем газов (водорода, азота, кислорода) необходимо предотвратить диффузионное выделение в атмосферу и потерю анализируемых газов пробой. Для этого пробы металла немедленно после отбора из ванны плавильной печи или разливочного ковша нужно закалить в деаэрированной воде, а затем хранить в жидком азоте. Известно, что растворимость газа в металлах [Г] подчиняется закону Сивертса: [Г] = кг· Р 2г , (11.4) где Р2Г - парциальное давление данного газа над поверхностью металла; кг - константа растворимости, зависящая от природы газа и металла, а также от температуры. Экстракцию газа осуществляют следующими методами: 1) плавлением пробы в вакууме; 2) то же – под током инертного газа; 3) восстановительным плавлением. Первые два из перечисленных методов непосредственно понижают парциальное давление анализируемых газов над металлом, и эти газы выделяются из пробы для последующего их определения соответствующими газоаналитическими детекторами. Из состава последних чаще используются катарометры (по теплопроводности анализируемого газа) и детекторы инфракрасного поглощения. Для разделения компонентов анализируемой газовой смеси применяются сорбционные методы газовой хроматографии. Метод восстановительного плавления пробы в графитовом тигле применяется для определения содержания в металле кислорода. Прочность находящихся в металле оксидов настолько высока, что для их разрушения и экстракции кислорода из пробы требуется нагревание последней до температуры, значительно превышающей

58

2000˚C. Поскольку это практически недостижимо, кислород выделяют из пробы в составе СО при существенно более никой температуре, благодаря реагированию оксидов металла с углеродом материала тигля по реакции: MemOn+n C = m Me+n CO

(11.5)

При этом непосредственно анализируют СО с дальнейшим пересчетом в концентрацию содержащегося в металле кислорода. Вопросы для самопроверки 1.Охарактеризуйте принцип действия эмиссионного вакуумного спектрометра. 2.Какое физическое явление положено в основу действия рентгено – флуоресцентного квантометра? 3.Сравните возможности и пределы измерения названных приборов определения химического состава металла и шлака. 4.Объясните принципы действия физических методов газового анализа. 5.Как устроены газовые хроматографы и какими достоинствами, по сравнению с другими газоанализаторами, они обладают? 6.С помощью каких приборов контролируют значение коэффициента избытка воздуха в металлургических печах? 7.Катие методы используют для определения содержания газов в металлах?

12. Контроль влажности формовочных материалов Литейная технология предъявляет сравнительно высокие требования к точности определения влажности песчано - глинистых и других формовочных и стержневых смесей. Допустимая погрешность измерения не должна превышать ± 0,5% Н2О. Влага входит в состав формовочных материалов в различных формах. Часть ее адсорбируется на поверхности зёрен материала и удерживается силами поверхностного натяжения. Избыточная влага вызывает скольжение зёрен относительно друг друга по действием внешних сил. Наконец, некоторое количество влаги оказывается химически связанным в форме кристаллогидратов связующих веществ. Наиболее точно влажность можно определить ручным способом путём нагревания и высушивания навески испытуемого материала до постоянной массы. Однако этот метод требует значительной затраты времени ( до трех часов).

59

В приборах автоматического контроля влажности преимущественно используются электрические методы измерения (табл. 11.3). Электрический ток через формовочную (стержневую) смесь определяется выражением: I = Iсп + Iс + Iп ,

(11.6)

где Iсп – ток сквозной проводимости, обусловленный переносом электрических зарядов (практически – через раствор солей, кислот и оснований в воде); Iс – ток смещения, вызываемый поляризацией зарядов частиц формовочного материала как диэлектрика; Iп – ток потерь, в результате протекания которого электрическая энергия превращается в тепловую. Таблица 11.3 Методы автоматического контроля влажности формовочных и стержневых смесей 1 Метод Электрокондуктометрический

Ёмкостный

2 Сущность метода

3 4 Датчик Достоинсигнала ства влажности ОпредеДва элек- Простота ление трода, по- устройствлажности мещёнва материала ные в по его контролиэлектроруемую проводно- среду сти Определение влажности материала по его диэлектрической проницаемости

Конденса- Простота тор, меж- реализаду обции кладками которого помещёна проба материала

5 Недостатки Зависимость результата измерения от химического состава среды

6 Особенности применения

Расстояние между электродами должно быть не менее 25 мм во избежание влияния размера зерна. Измерение предпочтительно вести на переменном токе, чтобы исключить эффект поляризации ЗависиНеобходимо произвомость ре- дить измерение на токе зультата высокой частоты для от степе- повышения чувствини уптельности и ослаблелотнения ния эффекта электрических потерь пробы

60

Продолжение таблицы 11.3 Диэлектрических потерь

Влажность определяется по значению диэлектрических потерь, обращаемых в теплоту

Нейтронный

Ядерного магнитного резонанса

По технологическим свойствам материала

Резонансное взаимодействие высокочастотного излучения с ядрами атомов водорода Косвенный контроль влажности (см. в тексте)

Катушка индуктивности, в которую вводят пробу контролируемого материала

То же

То же

Приёмник ядерного излучения

Не требуется стандартного уплотнения пробы

Радиационная опасность

ЯМР - радиоспектрометр

Раздельное определение содержания влаги в различных её формах

Сложность и высокая стомость средств измерения

Фотоэлемент, экранируемый от источника света струёй смеси

Учитываются фактические технологические свойства смеси

–

Проба влажного материала нагружает колебательный контур потерями, измеряемыми электрическим способрм

Автоматически вводится поправка на плотность материала

–

Необходима индивидуальная градуировка в местных условиях производства

Соответственно этим составляющим полного тока различают следующие методы контроля влажности: 1) электрокондуктометрический (по величине Icп); 2) ёмкостный (по величине Iс ); 3) диэлектрических потерь (по величине Iп). Емкостный метод и метод диэлектрических потерь часто объединяют под общим названием диэлькометрического метода.

61

Высокая эффективность ёмкостного метода обусловлена значительным различием диэлектрической проницаемости ε у воды (81) и сухих компонентов формовочных материалов (кварцевый песок – 6 … 7). Однако получение стабильных результатов измерения влажности требует постоянного уплотнения контролируемого материала между электродами электрокондуктометрического датчика или между электродами ёмкостного (конденсаторного) датчика. Кроме того, изменение химического состава контролируемого материала может вызвать дополнительную погрешность электрокондуктометрического метода измерения. Этих недостатков лишен нейтронный метод измерения влажности сыпучих материалов. Здесь используется плутонийбериллиевый препарат. При распаде атомов плутония выделяется значительное количество α - частиц. Под их воздействием протекает реакция образования быстрых нейтронов: 1 Be94 + α = C12 6 + n0 .

(11.7)

Образовавшиеся при упругом взаимодействии быстрых нейтронов с ядрами атомов водорода (протонами) воды анализируемого материала медленные нейтроны детектируются пропорциональным газоразрядным счетчиком с формированием выходного электрического сигнала, пропорционального измеряемой влажности. Часть быстрых нейтронов взаимодействует с ядрами элементов с большими атомными номерами и замедляется значительнее. Этот поток нейтронов детектируется другим счетчиком, выходной сигнал которого пропорционален плотности анализируемого материала и используется для корректировки результата измерения влажности. Метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР) основан на резонансном поглощении или излучении энергии электромагнитного волн высокой частоты ядрами атомов водорода в составе воды, находящимися в постоянном магнитном поле. Этот метод позволяет измерять содержание влаги в различных её формах. Однако ЯМР – радиоспектрометры характеризуются сложностью устройства и высокой стоимостью. Параллельно с совершенствованием методов измерения собственно влажности формовочных материалов, в ряде случаев актуальным оказывается контроль технологических характеристик формовочных и стержневых смесей, таких как формуемость (сыпучесть). Последняя является функцией гранулометрического со-

62

става сухого вещества, количества воды и содержания связующих, в том числе – активной глины. Под формуемостью подразумевают способность увлаженного формовочного материала просыпаться через щель, размер которой связан со способностью материала заполнять полости опоки с моделью или стержневого ящика. Если смесь просыпается через узкую щель, то формуемость высокая, и наоборот.

Рис.12.1. Схема устройства формуемости литейных материалов Одно из известных устройств контроля формуемости (рис. 12.1.) содержит пробоотборник 1, разрыхлитель 2, вибропитатель с лотком 3 (который подвешен на пластинах и снабжен приводом 7), взвешивающий конвейер 4 с постоянной скоростью ленты, датчик расхода 5 и вторичный прибор 6. В лотке вибропитателя имеются две щели а и б, причём верхняя щель а шире нижней б и расположена ближе пробоотборнику. Контролируемая смесь пробоотборником 1 подается в приёмную воронку разрыхлителя 2 и падает на верхнюю деку лотка 3. Смесь, перемещаясь по верхней деке, доходит до щели а, где просыпается на нижнюю деку. При этом часть смеси проходит через щель б и попадает на взвешивающий конвейер 4. Масса смеси на ленте конвейера контролируется 5 дифференциально-трансформаторным датчиком (см. с. 43) и регистрируется вторичным прибором 6 со специально градуированной шкалой.

63

Вопросы для самопроверки 1.Какими достоинствами и недостатками обладает лабораторный метод определения влажности материалов путём высушивания навески до постоянной ассы? 2.Почему показания электрокондуктометрического влагомероа зависят от присутствия различных примесей, растворённых в воде, а показания ёмкостного прибора не зависят? 3.Каовы преимущества нейтронного метода контроля влажности материалов? 4.Опишите схему устройства для контроля формуемости литейных материалов?

13. Контроль плотности жидкостей Для непрерывного измерения плотности жидких компонентов и их композиций, применяемых при приготовлении формовочных или стержневых смесей, наиболее пригодными оказались методы, которые охарактеризованы в табл. 13.1. Во всех случаях измерения плотности необходимо учитывать зависимость её от температуры и в случае необходимости вводить соответствующие поправки. Таблица 13.1 Характеристики промышленных плотномеров жидкостей Приборы

Принцип действия

1. Поплавковые (ареометрические) 2. Пьезометрические (гидростатические) 3. Массовые

Использование воздействия архимедовой (выталкивающей) силы со стороны жидкости на поплавок пропорционально её плотности По зависимости давления в жидкости на заданной глубине от контролируемой плотности

Взвешивание проточного сосуда или отрезка трубопровода 4. Вибраци- На основе зависимости частоты онные собственных колебаний отрезка трубопровода от плотности протекающей жидкости 5. Радиоизо- Контроль степени ослабления топные мощности потока гамма – лучей в зависимости от плотности жидкости

Диапазон измерения, кг/м3 500 … 2500

900 … 1800 600 … 1600 700 … 1050

500 … 3000

64

Класс точности серийных плотномеров находится в пределах 1,5 … 4. Вопросы для самопроверки 1. В каких формах присутствует влага в составе формовочных материалов? 2. Каковы достоинства и недостатки ручного метода определения влажности сыпучих материалов? 3. Каково преимущество нейтронного метода измерения влажности сыпучих сред? 4. Какой из методов контроля влажности позволяет определить конкретные формы присутствия влаги в формовочных материалах? 5. Почему ёмкостный метод требует стандартного уплотнения пробы испытуемого материала при определении его влажности?

65

Библиографический список 1. Дембовский В.В. Автоматизация литейных процессов: Справочник. – Л.: Машиностроение, 1989. 2. Белай Г.Е., Дембовский В.В., Соценко О.В. Организация металлургического эксперимента: Учеб.пособие – М.: Металлургия, 1993. 3. Технологические измерения и приборы в металлургии: Методические указания к выполнению курсовой работы / сост.В.В. Дембовский, Ю.Н. Зинин, В.Т. Сенченко. – Л.: СЗПИ,1998. 4. Технологические измерения и приборы в металлургии: Методические указания к выполнению практических работ / сост. В.В. Дембовский. – СПб.: СЗТУ. 2000. 5. Дембовский В.В. Компьютерные технологии в металлургии и литейном производстве: Учеб.пособие в двух ч. – СПб.: СЗТУ, 2002. 6. Правила измерения расхода газов и жидкостей стандартными сужающими устройствами / РД50-213-80. – М.: Издательство стандартов, 1982. 7. Приборы и средства автоматизации для металлургов: Каталог – справочник. – М.: Металлургия, 1980. 8. Каганов В.Ю. Блинов О.М., Беленький А.М. Автоматизация управления металлургическими процессами. – М.: Металлургия, 1974. 9. Приборы и средства автоматизации для металлургов: Каталогсправочник. – М.: Металлургия, 1980. 10. Автоматизация металлургических печей / Каганов В.Ю., Блинов О.М., Глинков Г.М., Морозов В.А. – М.: Металлургия, 1975. 11. Средства и системы автоматизации литейного производства / Богданов К.С., Горбенко В.Н., Денисенко В.М., Каширин Ю.П. – М. Металлургия, 1984. 12. Способ производства стали. - Авторское свидетельство СССР №2416895 на имя Дембовского В.В. и др. 13. Дембовский В.В. Устройство для поддержания заданного перепада давлений газовых сред. – Авторское свидетельство СССР № 887024. 14. Дембовский В.В. Стабилизатор давления газа. – Авторское свидетельство СССР № 1050715. 15. Дембовский В.В. Методы исследования литейных процессов: Учеб.пособие. – Л.: СЗПИ, 1988.

66

Предметный указатель А Активометр Аэросмесь Анализаторы

65 18 50,56

Ареометр Анизотропия магнитная

62 44

Б Бернулли уравнение Вибрационные плотномеры Вибропитатель

10

В Высушивание навески Влажность формовочных материалов

62 61

57 57

Г Газ - носитель Газоанализатор

18 49

Гамма - излучение

19

Датчик – дифтрансформаторный – магнитоупругий

43 44

Д Давление – полное

6

– барометрическое

6

– избыточное

6

Е Ёмкостный метод

– тензометрический Диэлектрическая проницаемость

44 39

Индукционный расходомер

15

58

Ж Железо сердечника

43 И

Излучение – монохроматическое – полное

33 34

К Катарометр

52

Коэффициент

Класс точности

5

– избытка воздуха

54

67

– расхода

11

Локация уровня

41

Л Ликвидуса точка

49

М Манометр

6

Материалы сыпучие

17

Масса

42

Милливольтметр

26

Н Наконечник защитный к термопаре Неразрывности течения уравнение

Нормальные условия измерения Нормирующее значение

24 24

4 4

О Ома закон

27

П Паскаль Перепад давления - переменный - постоянный Пирометр - яркостный - радиационный - цветовой Пневмотранспорт

6 12 15 31 32 34 18

Погрешности измерения - основные - дополнительные - приведённые Потенциометр Правило «трёх сигм» Прибор вторичный

4 4 4 28 4 26 23

Расхода уравнение Расходомер

11 8

Р Радиоизотопный плотномер Расход - жидкостей и газов - сыпучих материалов

18, 62 8 17

68

С Сжатие потока Сигнализатор уровня Сивертса закон Сила Скорость

9 39

Состав вещества – газа – металла и шлака Стефана – Больцмана закон Сужающие устройства Счётчики количества

56 42 47

49 48 32 14 8

Т Тахогенератор Тахометр Тело – абсолютно чёрное – серое – селективно излучающее

47 47

Температура Термометр термоэлектрический Термопара Транспорт конвейерный

31 33

21 21 21 18

33

У Уровнемер

39

Ф Фарадея число

56

Формуемость литейных материалов

61

Хроматограф

52

Электронный потенциометр Элемент концентрационный

28

Х Характеристика градуировочная

22

Ц Цифровой прибор

30

Ч Частота собственных колебаний Экспресс – анализ металла и шлака Экстракция газа Электрокондуктометрия

62 48 56 58

Э

55

69

Оглавление с. 1 2 3 4 5

6

7 8 9 10 11

12 13

Предисловие Основные сведения о погрешностях измерения Измерение давлений Измерение расхода жидкостей и газов методом сужения потока Индукционный метод измерения расхода жидкостей Измерение расхода сыпучих материалов 5.1. Измерение расхода сыпучих материалов при конвейерном транспорте 5.2. Измерение расхода сыпучих материалов при пневмотранспорте Измерение температуры термоэлектрическими термометрами 6.1. Теоретические основы термоэлектрической термометрии 6.2. Термопары 6.3. Вторичные приборы к термопарам Пирометры излучения Контроль уровня жидкостей и сыпучих материалов Измерение силы и массы Измерение скорости деталей машин и механизмов Контроль состава и свойств вещества 11.1. Экспресс – анализ металла и шлака 11.2. Определение состава газов 11.3. Контроль коэффициента избытка воздуха 11.4. Определение содержания газов в металлах Контроль влажности формовочных материалов Контроль плотности жидкостей Литература Предметный указатель

3 3 6 8 15 17 18 18 21 21 24 26 31 39 42 47 47 48 49 54 56 57 62 64 66

70

Дембовский Владислав Владиславович ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ И ПРИБОРЫ В МЕТАЛЛУРГИИ Учебное пособие

Редактор И.Н.Садчикова Сводный темплан 2004 г. Лицензия ЛР № 020308 от 14.02.97 Санитарно – эпидемиологическое заключение № 78.01.07.953.П.005641.11.03 от 24.11. 2003 г. Подписано в печать Формат 60х84 1/16 Б.Кн.-журн. Пл Бл. РТП РИО СЗТУ Тираж Заказ Северо-Западный государственный заочный технический университет РИО СЗТУ, член Издательско - полиграфической ассоциации вузов Санкт – Петербурга 191186, Санкт-Петербург, ул. Миллионная, 5