ИНДИВИДУАЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ

7. ИНДИВИДУАЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ

7.1 Пирометрия как метод измерения температуры

Пирометрия (от греч. pyr – огонь) – группа методов измерения температуры. Раньше к пирометрии относили все методы измерения температуры, превышающей предельную для ртутных термометров. С 60-х гг. 20 в. к пирометрии всё чаще относят лишь оптические методы, в частности, основанные на применении пирометров, и не включают в неё методы, в которых применяются термометры сопротивления, термоэлектрические термометры с термопарами, и ряд других методов. Почти все оптические методы основаны на измерении интенсивности теплового излучения (иногда – поглощения) тел. Интенсивность теплового излучения сильно зависит от температуры тел и очень резко убывает с её уменьшением. Поэтому методы пирометрии применяют для измерения относительно высоких температур (например, серийным радиационным пирометром от 200 °С и выше). При Т<1000 °С методы пирометрии играют в целом второстепенную роль, но при Т>1000 °С они становятся главными, а при Т>3000 °С – практически единственными методами измерения температуры.

Методами пирометрии в промышленных и лабораторных условиях определяют температуру в печах и других нагревательных установках, температуру расплавленных металлов и изделий из них (проката и т.п.), температуру нагретых газов, плазмы. Методы пирометрии не требуют контакта датчика измерительного прибора с телом, температура которого измеряется, и поэтому могут применяться для измерения очень высоких температур.

Измерения наиболее просты для твёрдых тел и жидкостей, спектр излучения которых чисто сплошной. В этом случае измерения температуры осуществляют пирометрами, действие которых основано на законах излучения абсолютно чёрного тела. Обычно поверхности исследуемого тела придают форму полости, чтобы коэффициент поглощения был близок к единице (оптические свойства такого тела близки к свойствам абсолютно чёрного тела).

В некоторых методах температура определяется по абсолютной или относительной интенсивности сплошного спектра («континуума»). Особое значение имеют методы определения температуры по спектру рассеянного плазмой излучения лазера, позволяющие исследовать неоднородную плазму. К недостаткам методов пирометрии следует отнести трудоёмкость измерений, сложность интерпретации результатов, невысокую точность (например, погрешности измерений температуры плазмы в лучших случаях оказываются не ниже 3-10%). Применение методов пирометрии для исследования неравновесной плазмы даёт ценную информацию о её состоянии, хотя понятие температуры в этом случае неприменимо.

Таким образом, пирометры – приборы для измерения температуры непрозрачных тел по их излучению в оптическом диапазоне спектра.

7.2 Приборы бесконтактного измерения температуры

Портативный пирометр ПП-1 предназначен для бесконтактного измерения температуры поверхностей твердых (сыпучих) тел и воды по их собственному тепловому излучению. При этом размеры исследуемой поверхности объекта определяются угловым полем зрения пирометра. Пирометр применяется для контроля состояния объектов и технологических процессов в различных отраслях промышленности, а также при проведении научных исследований.

В зависимости от исполнения диапазон измеряемых температур составляет от -20 до +400 ºС, от 100 до 1200 ºС и от 400 до 2000 ºС, показатель визирования соответственно 1:10, 1:15, 1:30. Пирометр имеет небольшие габаритные размеры (98×57×120 мм), небольшой потребляемый ток (около 10 мА). Среднее время непрерывной работы без замены батареи питания составляет 48-72 часа. Задание излучающей способности объекта производится плавно от 0,1 до 1 при помощи потенциометра. В пирометр установлен лазерный прицел и экономичная импульсная схема преобразования напряжения, позволяющая прибору сохранять работоспособность при разряде батареи до 3,5 – 4,0 В. Основная приведенная погрешность измерения не превышает 2%.

Стационарный пирометр СТ-1 предназначен для преобразования инфракрасного излучения спектрального диапазона 2,5-5 мкм нагретых поверхностей в электрический сигнал постоянного тока 0-5 мА (4-20 мА) с целью бесконтактного измерения температуры поверхностей твердых и сыпучих тел, газовых струй, воды с диапазоном излучательной способности от 0,1 до 1 в суммарном диапазоне от 150 до 2000 ºС. Пирометры этой серии разработаны для контроля различных производственных процессов, для долговременной работы в системах регулирования.

Конструктивно пирометр выполнен в виде трубы с расположенными в ней диафрагмой, модулятором, приемником излучения, и печатными платами микропроцессорного узла линеаризации. Прибор пылезащищенного исполнения с защитой от бросков пламени, рабочий диапазон температур окружающей среды от +5 до +50 ºС.

Пирометр стационарный высокотемпературный ПСВ-1 предназначен для измерения температур в суммарном диапазоне от 300 до 2000 ºС (300-950 ºС, 800-2000 ºС в зависимости от исполнения) с приведенной погрешностью не более 2%. В ПСВ-1 устанавливается аналоговый узел непрерывной обработки сигнала, обеспечивающий линейную зависимость выходного тока (0-5 мА, 4-20 мА) от температуры объекта. Конструктивно прибор выполнен в виде цилиндрической теплоизмерительной головки соединенной кабелем с малогабаритным блоком обработки щитового исполнения. Питание прибора осуществляется от сети 220 В.

Отличительной особенностью данного прибора является возможность работы теплоизмеряющей головки при температуре окружающего воздуха до 120 ºС.

Быстродействующий стационарный пирометр ПСД-1 предназначен для измерения температур в диапазоне 700-2500 ºС совместно с компьютером. Этот прибор наиболее подходит для контроля быстропротекающих тепловых процессов, определения температуры перемещающихся объектов в промышленности, незаменим при научных исследованиях. Пирометр был разработан для станов горячей прокатки металлов. При скорости прокатки около 20 м/с он позволяет определять распределение температур по длине листа через 2 см (до 960 замеров в секунду) и выводить соответствующие графики, прилагаемые к каждой бобине проката. В качестве датчика используется термостатированный ИК-фотодиод, связь с компьютером осуществляется через стандартный интерфейс RS-232. Линия связи гальванически развязана от цепей компьютера и не боится коротких замыканий. Конструктивно пирометр выполнен в виде трубы с разъемом на тыльной части. Для питания прибора используется внешний источник 12~24 В, 200мА постоянного тока.

Тепловизор сканирующий строчный ТСС-1 обеспечивает сканирование равномерно движущихся объектов (вращающиеся печи, прокат и т.п.) с разрешением не менее 150 элементов в строке с углом обзора 120 º. Прибор отображает тепловые поля в диапазоне от +200 до +650 ºС с разрешающей способностью по температуре 1 ºС. Тепловизор предназначен для дистанционной визуализации тепловых полей объектов различных областей промышленности в реальном времени, их регистрации и хранения в виде изображений. Передача информации на экран монитора компьютера осуществляется посредством стандартного интерфейса RS-232. Полученная картина распределения температур на поверхности объекта позволяет судить о ходе тепловых процессов, состоянии теплоизоляции, определять места перегрева тепловых установок и т.п. Прибор питается от сети 220В и не нуждается в операторе после установки и подключения.

Институт физики НАН Украины занимается разработкой и производством пирометров спектрального отношения ДПР-1, ДПР-2, ДПР-3.

Приборы предназначены для бесконтактного дистанционного измерения температуры поверхности объектов и температурных аномалий.

В пирометрах использован принцип преобразования тепловой энергии инфракрасного излучения (ИКИ) в электрические сигналы с помощью пироэлектрического приемника. Микро-ЭВМ осуществляет обработку сигналов в соответствии с программой и определяет температуру объекта. В пирометрах применена двухспектральная схема измерения ИКИ, что позволяет исключить влияние излучательной способности поверхности объекта на результат измерения.

Таблица 7.1 – Технические характеристики пирометров спектрального отношения

Наименование параметра	ДПР-1	ДПР-2	ДПР-3
Диапазон измеряемых температур, °С	от 800 до 2500	от 100 до 1100	от -80 до 200
Точность измерения, °С	±5,0	±1,0	±0,1
Уровень чувствительности, °С	1,0	0,1	0,01
Угол зрения, °	0,5…2,0	0,5…2,0	0,5…2,0
Габаритные размеры, мм, не более	120×230×300	120×230×300	150×150×300
Масса, кг, не более	2,0	2,0	3,5
Время измерения, с	0,25	0,5	0,5
Диапазон расстояний, м	1...50	1...100	1...500
Питание от аккумуляторов или сети	9В/100мА или 220 В/50 Гц
Вывод результатов измерений	Аналоговой форме (4 – 20 мА) и цифровой

Пирометры ДПР-1, ДПР-2 могут использоваться в литейном производстве, металлургии: на прокатных и трубопрокатных станах для контроля температуры листов, труб, лент, проволоки, колес, арматуры т.д. Возможно применение в электро-, газо-нагревательных печах при нагреве, отжиге, закалке, а также в кузнечном производстве, на кирпичных и цементных заводах, при производстве стекла и пластмасс, в строительстве и многое другое. Особо эффективно их применение при измерении температуры между витками катушки индуктора, раскаленной сетки, проволоки, бухт провода и др., так как приборы могут измерять температуру объектов при размерах этого объекта меньших поля зрения прибора, либо частично закрытых холодными предметами, где применение одно-спектральных приборов невозможно.

Пирометр ДПР-3 используются для контроля целости и дефектов трубопроводов, зданий, теплотрасс, дымовых труб, элементов конструкции в теплоэнергетике, предупреждения пожаробезопасности; для контроля теплообменников на атомных и теплоэлектростанциях; снятия тепловых карт участков Земли, моря, океана, термографии в технологических процессах и т.д.

ИТФ «РИДА-С» разрабатывает и выпускает приборы для измерения температуры бесконтактным методом: переносные пирометры «Луч-Н», «Луч», стационарный пирометр «Луч-С». Достоинства приборов: бесконтактный экспресс-контроль; постоянная готовность к работе; простота в обращении и безопасность эксплуатации; высокая точность измерения; высокое быстродействие; высокая разрешающая способность; воспроизводимость результатов измерения; управление технологическим процессом (выдается сигнал вкл./откл. на исполнительный механизм); устойчивость прибора к механическим воздействиям (ввиду отсутствия оптики); малые габариты и вес.

Таблица 7.2 – Технические характеристики переносных пирометров

Модель	Луч-Н		Луч
Диапазон измерения температур, ºC	350-1000	500-1200	700-1800	800-1800	1000-1800
Показатель визирования	1:30	1:50	1:50	1:100	1:200
Погрешность измерения, %	0,5-1,0
Время измерения, с	3-5
Коэффициент излучения, ед.	0,25-1,0
Шаг установки коэффициента, ед.	0,05
Автоматическая компенсация температуры окружающей среды	есть
Отображение результата измерения	ЖК дисплей
Режимы работы	максимальный и следящий
Выходной сигнал	нет
Сигнал управления	нет
Технология замера	бесконтактно
Питание	автономное 2×9В (батареи типа «Крона»)
Температура окружающей среды, ºC	+5...+40
Потребляемая мощность, Вт	0,05
Размеры, мм -            блока измерения -            фотоприемника	175×90×42 d=20×312
Масса, кг	0,7

Таблица 7.3 – Технические характеристики стационарного пирометра

Модель	Луч-С
Диапазон измерения температур, ºC	400-1000	500-1200	700-1800	800-1800
Показатель визирования	1:30	1:50	1:50	1:100
Погрешность измерения, %	0,5 (в рабочем диапазоне шириной 400 ºC) 1,5 в оставшемся диапазоне
Время измерения, с	0,5-1,0
Коэффициент излучения, ед.	0,4-1,0
Шаг установки коэффициента, ед.	плавно регулярном
Автоматическая компенсация температуры окружающей среды	есть
Отображение результата измерения	ЖК дисплей + аналоговый вывод
Режимы работы	следящий
Выходной сигнал	мВ (1мВ на 1 ºC) или 4-20 мА
Сигнал управления	да (контакты реле: вкл./откл.)
Технология замера	бесконтактно
Питание	сеть 220В, 50Гц или постоянное 9-27 В
Температура окружающей среды, 'C	+10...+45
Потребляемая мощность, Вт	0,2
Размеры, мм -            блока измерения -            фотоприемника	175×90×42 d=20×312
Масса, кг	0,7

Для бесконтактного измерения температуры в труднодоступных местах используют инфракрасный термометр. Применяется в промышленности, лабораториях или в быту. Благодаря широкому температурному диапазону (от -10 ºС до +300 ºС) прибор имеет огромную область применения. Сообщения высвечиваются на ЖК-дисплее. Возможно запоминание минимальной и максимальной температуры. Имеется функция Data Hold (удержание данных на дисплее) и переключатель C/F.

Технические данные: питание – 1 батарейка (9В), высота дисплея 11 мм, измеряемый диапазон от -10 ºС до +300 ºС, разрешение 1 ºС, точность 3% от измеряемой величины или ±3 ºС, цикл измерений около 1 сек, рабочая температура от +8 ºС до +50 ºС, потребление тока 12 мА, вес 265 грамм, размеры 195×120×58 мм. Максимальное расстояние до объекта измерения 1 метр.

Стационарные инфракрасные пирометры спектрального отношения серии Marathon MR1S используют двухцветный метод измерения для получения высокой точности при работе с высокими температурами. Пирометры MR1S имеют улучшенную электронно-оптическую систему, «интеллектуальную» электронику, которые размещаются в прочном, компактном корпусе.

Эти пирометры – идеальное решение при измерении температуры в загазованных, задымленных зонах, движущихся объектов или очень маленьких объектов. Также они применяются в различных отраслях промышленности: плавке руды, выплавке и обработке металлов, нагреве в печах различных типов, в том числе индукционных, выращивании кристаллов и др.

Выбор при закупке типа пирометра зависит, прежде всего, от возможной области его применения и связанных с этим факторов.

Например, для дистанционного контроля в промышленности (прокатные станы, литейное производство и т.д.) или для проверки электрооборудования используют стационарные пирометры, тепловизоры с большим диапазоном измеряемых температур. Зачастую такие приборы требуют совместной работы с компьютером, имеют большие габариты и вес, а, следовательно, значительную стоимость. Переносные пирометры более просты и безопасны в эксплуатации, но имеют гораздо меньший диапазон измеряемых температур. Наиболее просты и безопасны в использовании портативные пирометры пистолетного типа (небольшие размеры и вес позволяют использовать их для частых экспресс-контролей). Последние модели таких пирометров имеют широкий диапазон измерений, точное визирование, большое разнообразие функций, что позволяет применять их в различных производствах (металлургическое, литейное, нефтехимическое).

ВЫВОДЫ

В ходе выполнения бакалаврской работы были проведено энергетическое обследование помещений корпуса М (ІІ этаж) Сумского государственного университета.

На первом этапе энергетического аудита была получена информация об исследуемом объекте: измерены размеры помещений, произведён визуальный осмотр трубопроводов и отопительных приборов, в результате чего составлена схема расположения и присоединения радиаторов и трубопроводов.

На последующем этапе были предложены рекомендации для эффективного использования тепловой энергии. Основным энергосберегающим предложением является демонтаж лишних секций отопительных приборов.

По результатам первого этапа энергетического аудита был произведён расчёт фактических и нормированных тепловых потерь, количество необходимых секций радиаторов. Учитывая рассогласование фактических и нормированных теплопотерь, определены излишние затраты на использование тепловой энергии и их денежный эквивалент. Были рассчитаны затраты на демонтаж лишних секций радиаторов и определена общая сумма уменьшения денежных затрат за счёт внедрения энергосберегающих мероприятий.

В индивидуальном задании рассмотрены приборы бесконтактного измерения температуры, главным образом, пирометры, их разновидности, основные функции, преимущества и недостатки.

В целом, бакалаврская работа прослеживает основные этапы деятельности энергоаудитора при исследовании систем теплоснабжения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Энергетический менеджмент/ А.В. Праховник, А.И. Соловей, В.В. Прокопенко и др. – К.: ІЕЕ НТУУ «КПИ», 2001. – 472 с.: ил.

2. Справочник по теплоснабжению и вентиляции (издание 4-е, переработанное и дополненное). Книга 1-я. Р.В. Щекин, С.М. Кореневский, Г.Е. Бем и др. – К.: «Будівельник», 1976. – 416 с.

3. Р.В. Щекин, В.А. Березовский, В.А. Почанов. Расчёт систем центрального отопления. – К.: В. ш., 1975.

4. Проектирование теплоснабжения. Пешехонов Н.И. – Киев: Вища школа, 1982. – 328 с.

5. Дроздов В.Ф. Отопление и вентиляция. Отопление. Учебник для строит. вузов. – М.: «Высш. школа», 1976. – 280 с.: ил.

6. Кондиционирование воздуха, отопление и вентиляция: Учебник для вузов/ Б.Н. Голубков, Б.И. Пятачков, Т.М. Романова. – М.: Энергоиздат, 1982. – 232 с.: ил.

7. Ширакс З.Э. Теплоснабжение: пер. с латыш. – М.: Энергия, 1979. – 256 с.: ил.

8. Сканави А.Н. Отопление: Учебник для техникумов. М.: Стройиздат, 1979. – 251 с., ил.

9. Теплотехника, отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха: Учебник для вузов/ В.М. Гусев, Н.И. Ковалев, В.П. Попов, В.А. Потрошков, под ред. В.М. Гусева. – Л.: Стройиздат, Ленингр. отд-ние, 1981. – 343 с., ил.

10. Тихомиров К.В. Теплотехника, теплогазоснабжение и вентиляция: Учебник для вузов. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Стройиздат, 1981. – 272 с., ил.

11. С.А. Чистович. Системы центрального отопления жилых зданий. – Л.: Стройиздат, 1971. – 72 с.

12. http://www.technoac.ru/devices/pirometers

13. http://www.otoplenie.com.ru/

14. Кириллов А.Ф. Чертежи строительные. Учеб. пособие для строит. техникумов. Изд. 2-е, перераб. и доп. – М.: Стройиздат, 1978. – 232 с., ил.