В настоящее время теплогенерирующее оборудование невозможно представить без устройств измерения температуры. На одном котлоагрегате обычно устанавливаются десятки термоэлектрических преобразователей. Их износ и необходимость замены вносят существенный вклад в затраты на периодическое обслуживание. В статье рассматривается альтернативный способ контроля температуры, который в ряде случаев позволяет сократить затраты на замену изношенных термоэлектрических преобразователей.
Термоэлектрические преобразователи получили широчайшее распространение практически во всех областях производства. Простота устройства и высокая точность измерений и по настоящее время обеспечивает им преимущество по сравнению с другими методами измерения температуры. Понятно, что там, где использование ТП затруднено или невозможно в силу ряда причин (движение объекта измерений, слишком высокая температура, высокое напряжение и т.п.), достаточно успешно используются бесконтактные средства измерений — пирометры. И все же ряд недостатков бесконтактного метода не позволяют ему вытеснить контактный.
Неизвестный в большинстве случаев коэффициент излучения объекта измерений требует тщательной настройки пирометра, так как коэффициент излучения реальных объектов меньше единицы, он определяется материалом и качеством поверхности и является функцией температуры, угла наблюдения и длины волны. Точное определение коэффициента излучения является трудной задачей из-за большого количества влияющих факторов. Наличие дыма, водяного пара и пыли между пирометром и объектом также препятствуют точным измерениям.
Объединив оба способа — контактный и бесконтактный, можно избежать ограничений, накладываемых неопределенным коэффициентом излучения, и получить определенные выгоды. С этой целью в среду, температуру которой необходимо измерять, помещают трубу, заглушенную со стороны среды (чехол), а пирометр визируют с открытого конца чехла на дно получившейся полости. Если отношение глубины полости к ее диаметру достаточно велико, то она обретает свойства черного тела и ее коэффициент излучения можно считать равным единице. Схема получившегося ИК-преобразователя приведена на рисунке 1.
Достоинства такого ИК-преобразователя заключаются в следующем:
- в случае износа замене подлежит только чехол, стоимость которого существенно ниже стоимости термоэлектрических датчиков, как платиновой группы, так и ХА типа;
- инерционность преобразователя существенно ниже традиционных датчиков, так как чехол пустой;
- при проведении очередной поверки нет необходимости демонтировать чехол, достаточно отсоединить приемник ИК-излучения от чехла, и поверить прибор непосредственно как пирометр. Это особенно важно, если, например, объект нежелательно разгерметизировать, внутри находятся ядовитые вещества и т.п.
- так как в преобразователе нет драгоценных металлов, он не представляет большого соблазна для хищения.
Создать такой преобразователь можно на базе практически любого пирометра, при обеспечении соответствующего показателя визирования. Однако зачастую вблизи объекта контроля присутствуют нежелательные для электронных устройств факторы — высокая температура воздуха, выбросы пламени, вибрация и т.п. Поэтому при разработке ИК-преобразователя необходимо учитывать эксплуатационные условия.
С учетом вышеизложенного на нашем предприятии был разработан и изготовлен ИК-преобразователь в виде заглушенного термопарного чехла с присоединенным к нему приемником ИК-излучения (рис. 2).
Приемник ИК-излучения соединен с пирометром высокотемпературным армированным оптоволоконным кабелем, позволяющим устанавливать электронную часть прибора на безопасном расстоянии от объекта контроля. Поток излучения передается по оптоволокну к цифровому измерительному блоку, где преобразуется в электрический сигнал и оцифровывается для последующей обработки.
Таким образом исключается перегрев и выход из строя чувствительного элемента и электроники. Преобразователь можно использовать совместно с пирометрами ПД-6 или ПД-7, производимых нашим предприятием.
При проведении испытаний на реальных объектах были получены хорошие результаты. Так при проведении измерений температуры расплавов металлов и солей инерционность ИК-преобразователя была на порядок меньше, чем у штатной термопары, по показаниям которой осуществляется регулирование температуры. Отставание показаний термопары от показаний ИК-преобразователя в процессе нагрева/остывания расплава достигало двух десятков градусов, что не лучшим образом сказывается на техпроцессе. При измерении температуры нагретых газов разница в инерционности меньше, так как теплоемкость и теплопроводность газа значительно ниже чем жидкости.
Пирометры ПД-6 и ПД-7 достаточно сложны и имеют функции, избыточные в том случае, если пирометры используются вместе с ИК-преобразователем. Логическим продолжением развития данного направления стал пирометр ПД-5 (рис. 3).
Прибор имеет литой пылевлагозащищенный корпус с отверстиями для крепления, работоспособен при температуре окружающей среды от -30 до +50°С. Приемник ИК-излучения выдерживает температуру окружающей среды до +200°С. Диапазон измеряемых температур от 400 до 1400°С, погрешность измерений 0,5%. В конструкцию ИК-преобразователя были внесены небольшие изменения. Между чехлом и приемником ИК-излучения устанавливается теплоизолирующий переходник со штуцером для подвода воздуха, что позволяет осуществлять продувку переходника охлаждающим воздухом и предотвратить перегрев приемника. Шайба, установленная на переходнике, служит защитным экраном от теплового излучения и выбросов пламени. Испытания показали, что при температуре внутри печи 1000°С и температуре окружающего воздуха до 70°С перегрева приемника не происходит и в продувке воздухом нет необходимости.
На рисунке 4 изображены органы управления и индикации, разъем для подключения внешних цепей пирометра ПД-5. Индикатор (рис. 4-1) съемный, что позволяет использовать его для настройки нескольких приборов по очереди. Если в индикации нет необходимости, индикатор в прибор не устанавливается, что позволяет несколько снизить стоимость пирометра.
Также в пирометре ПД-5 реализована схема имитации термопарного выхода. Температура, измеренная с помощью ИК-преобразователя, пересчитывается в значение термо-ЭДС для любого из 13 типов термопар, и напряжение соответствующей амплитуды выдается на контакты разъема (рис. 4-2). При замене штатной термопары на ИК-преобразователь нет необходимости заменять существующую систему контроля/регулирования, можно подключить пирометр к имеющемуся оборудованию. Также пирометр имеет настраиваемый токовый выход (0-5, 0-20, 4-20 мА) и ключ двухпозиционного регулирования. Ключ может управлять внешним твердотельным реле, с помощью которого можно осуществлять регулирование температуры или, например, отключить горелку котла при перегреве и т.п. Схема сборки ИК-преобразователя, габаритные и присоединительные размеры приведены на рисунке 5. В зависимости от условий применения длину чехла и оптоволоконного кабеля можно выбрать в соответствии со значениями, приведенными в таблицах (рис. 5).
А. Ю. НЕДЕЛЬКО, ведущий инженер
ОАО НПП «Эталон»
