Электрические датчики в современной металлургии

В металлургической промышленности измерители температур пользуются устойчивым спросом, так как они необходимы почти в 90% всех технологических операциях. Большое разнообразие методов и конструкций измерителей температур требует определенного классифицированного подхода при их рассмотрении.

Проведем небольшой анализ используемых их в металлургии.

Электрические термометры сопротивления

Свойство чистых металлов и полупроводников изменять свое сопротивление с изменением температуры используется в электрических термометрах сопротивления (терморезисторы).

Для терморезисторных преобразователей используют материалы, обладающие высокой стабильностью температурного коэффициента сопротивления (ТКС), высокой воспроизводимостью электрического сопротивления при данной температуре, значительным удельным электрическим сопротивлением, высоким ТКС, стабильностью химических и физических свойств при нагревании, инертностью к воздействию исследуемой среды. К таким материалам в первую очередь относятся платина, медь, никель, вольфрам и др. Наиболее широко применяют платиновые и медные терморезисторы.

Для измерения температуры от 0 до +650 СС применяются платиновые термометры сопротивления типа ТСП (таблица 3).

К недостаткам платиновых преобразователей температуры относятся довольно высокая загрязняемость платины парами металлов (особенно железа) при высоких температурах и сравнительно невысокая химическая стойкость в восстановительной среде, вследствие чего материал становится хрупким, теряет стабильность характеристик.

Медные терморезистивные типа ТСМ преобразователи широко используют в диапазоне температур от - 50 до 180 °С вследствие их низкой стоимости и довольно высокой стойкости к коррозии. Зависимость сопротивления меди от температуры описывается линейным уравнением (таблица 3).

К недостаткам медных преобразователей температуры относится высокая окисляемость меди при нагревании, вследствие чего их применяют в сравнительно узком диапазоне температур в средах с низкой влажностью и при отсутствии агрессивных газов.

Чувствительные элементы термосопротивлений имеют относительно большие габариты и боятся вибраций. Поэтому их используют главным образом для измерения температур жидкостей в больших емкостях.

Полупроводниковые терморезисторы отличаются от металлических большими значениями ТКС, а, следовательно, меньшими размерами и инерционностью.

Недостатками полупроводниковых терморезисторов, существенно снижающих их эксплуатационные качества, является нелинейность зависимости сопротивления от температуры, значительный разброс номинальных значений сопротивлений различных образцов и их ТКС.

Таблица 3. Основные характеристики терморезисторов платиновых и медных

Для измерения изменений сопротивлений применяются логометры или уравновешенные мосты. Измерительная цепь уравновешенного моста состоит из термометра сопротивления, двух постоянных резисторов и переменного сопротивления-реохорда, изменяемого путем перемещения его подвижного контакта при помощи двигателя, включенного на выход электронного усилителя, на вход которого подается дисбаланс моста.

Термопары

Термопарой называют датчик генераторного типа, измеряющий температуру в окрестности определенной точки температурного поля относительно другой. Термоэлектрический термометр имеет в качестве чувствительного элемента два спаянных между собой разнородных металлических проводника. Если температуры спаев t и t0 отличаются друг от друга, то в рассматриваемом контуре образуется ЭДС постоянного тока, возникающая вследствие совместного действия явлений Томпсона и Зеебека.

Явление Томпсона состоит в том, что в проводнике, обладающем электронной проводимостью, при неравномерном нагревании по длине в нагретых частях повышается концентрация свободных электронов, которые диффундируют от горячего конца проводника к холодному, заряжая горячий конец положительно, а холодный - отрицательно. ЭДС Томпсона в замкнутой цепи из разнородных проводников равна разности ЭДС обоих проводников.

Явление Зеебека заключается в том, что в месте контакта двух различных проводников возникает ЭДС, вызванная различной концентрацией свободных электронов и наличием контактной разности потенциалов. Суммарная ЭДС, вызванная явлениями Томпсона и Зеебека, является функцией температур t и t0 и зависит от физической природы проводников. Термопары градуируются при нулевой температуре холодного спая. Для компенсации влияния изменения температуры холодного спая применяются специальные компенсационные провода.

Термопары применяют в основном для измерения температур жидкости и газов, а также для измерения поверхности твердых тел. Они используются в диапазоне температур от 0 0К до 1600 0С, но наибольшую точность термопары обеспечивают до 1000 0С. Некоторые термопары (вольфрам - вольфрам - молибден) измеряют температуру до 20000С. На агрегатах цехов холодной прокатки применяются в основном два типа термопар: хромель-алюмелевые и хромель-копелевые. Термопары хромель-алюмелевые (ТХА) работают в диапазоне температур от - 50 до 1000 °С и имеют практически линейную шкалу. Такие термопары рекомендуется применять в восстановительной и нейтральной средах, где обеспечивается погрешность ±1,0%. Термопары хромель-копелевые (ТХК) применяются в диапазоне температур от - 50 до +600 °С, обеспечивая погрешность не более +0,8% при нелинейной шкале.

Для измерения температур в пределах от - 200 до 2500 0С выпускают стандартные термопреобразователи температуры представленные в таблице 4.

Важным фактором учета погрешностей при измерениях с помощью термопары является введение поправок на температуру ее свободных концов. При проведении ответственных измерений применяется термостатирование свободных концов термопары при 0 0С.

Таблица 4. Характеристики промышленных термопар

Однако в промышленных условиях термостатирование применять технически сложно и экономически нецелесообразно. Значение поправки связано с разностью температур свободных концов через коэффициент Кt. Из-за нелинейности зависимости термоЭДС Е = f(t) значение Кt, различно для каждого участка кривой, поэтому градуировочную кривую (статическую характеристику) разделяют на участки по 100 °С и для каждого участка определяют Кt.

Еще одна причина возможного возникновения погрешности - сопротивление измерительной цепи, состоящей из непосредственно термопары и соединительных проводов.

При изготовлении термопары помещают в защитный чехол из металла или керамики. Для изоляции используют стекло, асбест, фарфор, шамот. При низких температурах можно использовать шелковую и эмалевую изоляцию.

К достоинствам термопар необходимо отнести возможность измерений в большом диапазоне температур, простоту устройства, надежность в эксплуатации. Благодаря этим достоинствам термопары применяют очень широко.

Недостатки термопар - невысокая чувствительность, большая инерционность, необходимость поддержания постоянной температуры свободных спаев.

Широкое применение термопар стало причиной появление в нашей стране многих предприятий - изготовителей, среди них ЗАО «промышленная группа Метран», г. Челябинск; приборостроительный завод, г. Луцк и др.

Фотоэлектрические пирометры

Для измерения в промышленных условиях температур от 100 до 4000 °С применяют фотоэлектрические пирометры.

Действие фотоэлектрического пирометра основано на свойстве фотоприемника изменять возникающий в его цепи ток пропорционально падающему на него потоку излучения.

Изображение контролируемой поверхности 1 фокусируется линзой 2 через ограничивающую диафрагму 3 на отверстии диафрагмы 5, установленной перед приемником излучения 7. Если изображение нагретой поверхности полностью перекрывает отверстие диафрагмы 5, то величина светового потока, падающего на приемник излучения, пропорциональна только интенсивности излучения контролируемой поверхности и, следовательно, ее температуре. Через отверстие 6 на приемник излучения падает световой поток от лампы 11 отрицательной обратной связи, питаемой током выходного каскада усилителя 9. Модулятором 4 световые потоки от визируемого тела и лампы модулируются с частотой 50 Гц в противофазе, благодаря чему переменная составляющая через приемник 7 пропорциональна разности этих потоков. Переменная составляющая фототока усиливается усилителем 8, выпрямляется фазочувствительным детектором и поступает на усилитель постоянного тока. Таким образом, ток лампы обратной связи, однозначно связанный с ее световым потоком, с достаточной точностью характеризует яркостную температуру контролируемой поверхности. Последовательно с лампой обратной связи включен калиброванный резистор 10, падение напряжения на котором, пропорциональное току лампы, измеряется электронным потенциометром 12, градуированным в единицах яркостной температуры.

Конструктивно фотоэлектрический пирометр состоит из визирной головки, электронного блока и электронного потенциометра.

В настоящее время широкое применение получили инфракрасные пирометры. Некоторые из них представлены в таблице 5.

Инфракрасные термометры модели М67В, Р, L разработаны для измерения температуры в различных технологических процессов. Они имеют прочный термозащитный корпус, изготовленный из нержавеющей стали, дополнительные устройство для воздушного и водяного охлаждения, а также другие приспособления, которые обеспечивают работоспособность приборов в жестких производственных условиях.

В отличие от М67 прибор M68L состоит из двух узлов:

- объектива, который улавливает инфракрасное излучение объекта измерения, фокусирует его и передает с помощью волоконно-оптического кабеля;

- электронного блока с чувствительным элементом и процессором для обработки сигналов.

Такая конструкция имеет несколько достоинств:

- гибкий оптико-волоконный кабель позволяет измерять температуру объектов, находящихся за пределами прямой линии зрения;

- отсутствует необходимость водяного охлаждения прибора при измерении температуры в печах различных типов;

- возможно, проводить измерения в закрытых резервуарах, в процессах с электромагнитными полями и радиоактивным излучением.

Таблица 5. Инфракрасные пирометры

Измерение температуры валков

Валки прокатных станов работают при обильном охлаждении их поверхностей эмульсией или водой. В этих условиях невозможно применять пирометры. Даже на дрессировочных станах, где не применяется охлаждение валков, пирометры не могут обеспечить необходимой точности измерения температуры поверхности валка из-за ее переменной отражательной способности и большой запыленности.

Непригодны для длительной эксплуатации и контактные способы измерения температуры вследствие высокой скорости вращения валков, приводящей к нестабильной работе датчиков и их быстрому истиранию. Наиболее удачной является конструкция датчика температуры валков типа ДТВ-УЗТМ. Датчик имеет хромель-копелевую микротермопару, измеряющую температуру в замкнутом объеме, образуемом поверхностью валка и прижатым к ней капролитовым стаканом. Постоянство усилия прижатия обеспечивается при помощи груза. По мере истирания капролитового стакана расстояние от поверхности валка до термопары изменяется от 2 до 0,2 мм. При этом возникает дополнительная погрешность около 3 °С на валках, смачиваемых эмульсией, и около 6 °С на валках дрессировочных станов. Наблюдается также погрешность в 5 … 10 °С при изменении скорости прокатки от нуля до 12 м/с. Датчики ДТВ-УЗТМ измеряют температуру поверхности валков в диапазоне 0…200 °С.

4. Датчики измерения устройств управления

Из многочисленных датчиков, применяемых в автоматизации технологического оборудования прокатного производства, будем рассматривать только датчики, использующиеся для получения информации о координатах и скорости некоторого элемента автоматической системы. Эти датчики условно разделим на четыре группы: датчики положения, датчики перемещения, датчики размеров и измерители скорости. Эти датчики условно отнесены к группе измерения устройств управления, однако некоторые из них могут с успехом использоваться и в измерении технологических переменных такие, например, как датчики размеров и др.

4.1 Датчики положения

Датчики положения, называемые также позиционными датчиками или путевыми переключателями, которые предназначены для получения сигнала о том, что движущийся орган объекта управления достиг заданного положения. При достижении этого положения выходной сигнал датчика изменяется скачком, т.е. датчик имеет релейную характеристику.

По виду используемой энергии и коммутируемых цепей датчики положения делятся на электрические, гидравлические и пневматические, а по способу воздействия на датчики - контактные и бесконтактные. Датчики, осуществляющие переключения только в конечных точках пути, называются конечными выключателями. Обычно один и тот же тип переключателя может выполнять функцию как путевого (в промежуточных точках хода), так и конечного выключателя.

Электрические контактные переключатели

Эти датчики применяются для коммутаций цепей управления переменного и постоянного тока. Конструктивно они представляют собой устройства, в корпусе которых размещены контакты и толкатель (рычаг), передающий воздействие к подвижным контактам от механических упоров. Переключатели бывают простые и мгновенного действия. В последних подвижный контакт переходит практически мгновенно из одного положения в другое при приложении к толкателю воздействия определенной величины. Переключатели немгновенного действия (простые) применяются при скоростях движущихся органов более 0,07 м/с, поскольку при меньших скоростях происходит усиленный износ контактов от электрической дуги.

В тех случаях, когда требуются небольшие габариты переключателя, применяются микропереключатели, которые имеют мгновенное действие и достаточно высокую точность срабатывания. В системах циклового программного управления необходимо иметь по одной координате несколько путевых команд, поэтому путевые переключатели здесь выполняют в виде блоков микровыключателей, смонтированных в одном корпусе.

Основным недостатком электроконтактных переключателей является малая долговечность, связанная с износом их механических и электрических элементов.

Бесконтактные выключатели

Бесконтактным выключателем (ВБ) называется выключатель, приводимый в действие внешним объектом без механического контакта выключателя и объекта. Коммутация нагрузки производится полупроводниковыми элементами узла коммутации ВБ. Все это обеспечивает высокую надёжность работы бесконтактного выключателя.

В системах управления они, как правило, выполняют функцию датчиков обратной связи, сигнализируя о завершении выполнения конкретным элементом оборудования команды на перемещение. Но этим их применение не ограничивается.

Входя в зону чувствительности бесконтактного выключателя движущийся объект вызывает его срабатывание. При срабатывании ВБ полупроводниковый узел коммутации включает или отключает ток нагрузки (до 400 мА DC или до 500 мА АС). В качестве нагрузки может быть использован вход контроллера, электронной схемы или непосредственно обмотка реле, контактора.

Широкий выбор датчиков типа ВБ производится на предприятии ЗАО «Сенсор» г. Екатеринбурге и Научно-производственной компании «ТЕКО» г. Челябинск.

Электрическая часть бесконтактного выключателя помещена в корпус из никелированной латуни или пластмассы (рис. 13). Для обеспечения работоспособности в экстремальных условиях эксплуатации электрическая часть герметизируется компаундом.

Выбор бесконтактного выключателя при проектировании нового или модернизации существующего оборудования желательно проводить, учитывая три группы функциональных и эксплуатационных параметров:

- вид объекта, воздействующего на чувствительный элемент ВБ;

- требуемые параметры коммутационного элемента ВБ;

- параметры условий эксплуатации и конструктивные особенности оборудования.

Учитывая эти группы и в зависимости от принципа работы чувствительного элемента бесконтактные выключатели подразделяются на индуктивные, ёмкостные и оптические.

Индуктивные бесконтактные выключатели (ВБИ) реагируют на металлические объекты воздействия на расстоянии срабатывания до 150 мм. Объектом может служить как металлический элемент конструкции, так и металлическая пластина, прикрепленная к любой движущейся части оборудования.

Индуктивные бесконтактные выключатели имеют чувствительный элемент в виде катушки индуктивности с открытым в сторону активной поверхности магнитопроводом (рис. 14).

Рис. 14. Функциональная схема ВБИ

Перед активной поверхностью ВБИ образуется электромагнитное поле. При внесении металлического объекта в это поле колебания генератора затухают, демодулированное напряжение падает, триггер опрокидывается, коммутационный элемент переключается.

При рабочих условиях эксплуатации (в том числе при рабочих значениях напряжения питания и температур окружающей среды) ГОСТ предусматривает надежное срабатывание всех изделий ВБИ в гарантированном интервале срабатывания.

Обычно на практике объект воздействия для ВБИ изготавливается в виде стальной пластины требуемых размеров (толщиной примерно 1 мм, рис. 15), соединенной с движущейся деталью механизма, положение которой нужно контролировать.

Если объект воздействия имеет размеры меньше стандартного, то расстояние срабатывания может измениться.

Индуктивные бесконтактные выключатели наиболее широко используются в качестве конечных выключателей рольгангов, автоматических линий и т.п. (рис. 15.).

Рис. 15. Места расположения ВБИ

Емкостные бесконтактные выключатели (ВБЕ) реагируют на наличие любых объектов воздействия, применяются как датчики уровня жидкостей и сыпучих материалов.

Емкостные бесконтактные выключатели имеют чувствительный элемент в виде вынесенных к активной поверхности пластин конденсатора. Упрощенная функциональная схема ВБЕ изображена на рис. 16.

Рис. 16. Функциональная схема ВБЕ

Приближение объекта из любого материала к активной поверхности ведет к изменению емкости конденсатора, параметров генератора и в конечном итоге к переключению коммутационного элемента.

Объекты из металла (квадратная пластина из Ст З толщиной 1 мм) или из диэлектрика с большей диэлектрической постоянной, например вода, воздействуют на ВБЕ в большей степени. Мелкие или тонкие объекты слабо воздействуют на ВБЕ.

Наиболее широкое применение ВБЕ нашли в качестве надежных и дешевых датчиков контроля максимального или минимального уровня жидких или сыпучих материалов (рис. 17, а, б). При этом возможен монтаж и обслуживание ВБЕ вне резервуаров

ВБЕ переключается и от материала, находящегося за каким-либо диэлектриком, например, он будет чувствовать угольный пек через пластину из стеклотекстолита (рис. 17, б).

В качестве иллюстрации такой работы с учетом влияния окружающего металла можно привести следующий пример применения. При диаметре отверстия в металлическом резервуаре, равном тройному диаметру активной поверхности бесконтактного выключателя ВБЕ-Ц30-96 У - …, он будет реагировать на минеральное масло через стекло толщиной 18 мм, а при диаметре отверстия в резервуаре, равном двойному диаметру активной поверхности, - через стекло толщиной 6 мм.

ВБЕ применяется также для счета или позиционирования различных объектов из неметаллических материалов (рис. 17, в).

Оптические бесконтактные выключатели (ВБО) используют для определения перемещения, наличия или контроля размеров объектов из любого непрозрачного материала, а также для позиционирования и счета любых объектов из любого непрозрачного материала Зона их чувствительности достигает 16 метров. Температура окружающей среды от -250С до +800С.

Рис. 18. Функциональная схема ВБО

Излучатель - это устройство, состоящее из источника оптического излучения, линз и необходимой электрической схемы, создающее оптический луч.

Приемник - это устройство, состоящее из чувствительного элемента, линз и необходимой электрической схемы, воспринимающее оптический луч от излучающего устройства.

Список использованной литературы

1. Седш В.В. Основы автоматизации прокатного производства

2. Илёв В.Г. Автоматизация и системы управления в прокатном производстве

Страницы: 1, 2, 3, 4