ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЛАВИЛЬНЫЕ И ТЕРМИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ, ИХ классификация и производство

Электротермическое оборудование используется в процессах, в которых происходит преобразование элект­рической энергии в тепловую. Под электротермической установкой подразумевается комплекс, состоящий из caмoгo электротермического оборудования, источника его электрического питания и устройства для автоматического управления

Электротермическое оборудование — электрические печи,электронагревательные устройства и приборы — широко распространено в промышленности, на транспорте в сельском хозяйстве и быту. При таком широком распространении электрические печи должны быть очень разнообразными по конструкции и размерам. Резко раз­личаются между собой по конструкции плавильные и Нагревательные печи, дуговые, индукционные и печи со­противления, установки инфракрасного нагрева, вакуумные печи. Наряду с небольшими настольными электрона­гревательными приборами или лабораторными печами мощностью в сотни ватт или в несколько киловатт в промышленности применяются мощные дуговые стале­плавильные и рудотермические печи. Мощность каждой изних измеряется десятками тысяч киловатт.

Это многообразие электрических печей вызывает не­обходимость в их классификации. Классификацию их по технологическому назначению провести нельзя, так как для одного и того же процесса можно использовать не­сколько различных типов электротермического оборудо­вания. По этому признаку пришлось бы ограничиться де­лением электропечей на плавильные и термические. Бо­лее правильна и удобна классификация электрических

Таблица 1.1. Классификация электротермических установок по способу превращения электрической энергии в тепловую

печей по принципиальному признаку — по способу прев­ращения электрической энергии в тепловую (табл. 1.1).

Разнообразие электротермического оборудования приводит к то­му, что его производство носит индивидуальный характер. Сложное и тяжелое оборудование производится, как правило, партиями по нескольку штук или единицами. Более мелкие электропечи об­щепромышленного применения выпускаются сериями по нескольку десятков, редко сотен, штук в год.. Для наилучшего удовлетворения запросов потребителей для серийных печей разработаны размерные ряды, объединяющие близкое по назначению и по основным конст­руктивным решениям оборудование. В размерных рядах выделяют несколько базовых конструкций, решения которых почти без изме­нения используются в смежных типоразмерах, отличающихся от ба­зовых только размерами. Это позволяет применять унификацию уз­лов и деталей и изготавливать эти узлы и детали большими партия­ми. Наиболее широко распространена унификация узлов и деталей Печей одного размерного ряда Наибольший эффект достигается при унификации изделий, изготавливаемых на одном заводе.

Электротермическое оборудование изготавливают на специализи­рованных заводах электротехнической промышленности и укомплек­товывают электротехническим оборудованием, источниками питания, коммутационными аппаратами, измерительными приборами и устрой­ствами управления и регулирования.

Разработка, исследование и проектирование новых типов и кон­струкций электропечей осуществляются во Всесоюзном научно-ис­следовательском институте электротермического оборудования (ИИЭТО), во Всесоюзном научно-исследовательском институте токов высокой частоты (ВНИИТВЧ), в лабораториях и конструк­торских бюро заводов электротермического оборудования.

Индивидуальный и мелкосерийный характер производства элект­рических печей определяет то, что стандартизацией в первую оче­редь охватываются электропечестроительные материалы, а также мелкие печи общепромышленного производства.

Перед разработкой новых типов электротермического оборудования, призванных заменить оборудование с пла­менным нагревом, обязательно проводится технико-эко­номическое обоснование обоих вариантов, при этом учи­тываются не только чисто экономические показатели, но и их влияние на качество продукции, на условия труда, потребность в рабочей силе, а также воздействие обоих процессов на окружающую среду.

МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В ЭЛЕКТРОПЕЧЕСТРОЕНИИ

В связи с наличием в электрических печах зон с вы­сокой температурой в них помимо обычных конструкци­онных и электротехнических материалов [2, 5] применя­ют также специфические материалы, способные работать при этой температуре и обладающие необходимыми для этого свойствами. К ним относятся огнеупорные и тепло­изоляционные материалы, а также материалы для на­гревательных элементов.

Огнеупорные материалы используются для формиро­вания рабочего пространства печи — ее камеры или ванны. Они образуют огнеупорную кладку — внутрен­нюю часть футеровки печи.

В соответствии с условиями работы к огнеупорным материалам предъявляются следующие основные требо­вания:

1) огнеупорность, т.е. способность выдерживать без деформации и оплавления высокие температуры (t_огн ≥ 51580° С);

2) механическая прочность при высоких температу­рах: огнеупорный слой кладки должен выдерживать мас­су загрузки, тары, транспортирующих устройств, на нем крепятся нагревательные элементы;

3) термическая устойчивость — способность, не рас­трескиваясь, выдерживать резкие колебания температу­ры. Особенно важно это требование для огнеупоров, применяемых в плавильных печах, где на раскаленную
кладку ванны после слива металла загружают холодную шихту;

4) малая электрическая проводимость, В электричес­ких печах огнеупорный материал часто служит электри­ческим изолятором, так как на внутренней поверхности огнеупорной кладки монтируются нагреватели; огне­ упорный материал служит опорой и разделителем для токоведущих частей;

5) малая теплопроводность: чем меньше теплопро­водность огнеупорных материалов, тем легче изготовить кладку печи с малыми тепловыми пртерями, не увеличи­вая чрезмерно толщину стен;

6) химическая нейтральность. Огнеупорные мате­ риалы должны быть химически нейтральными к на­греваемому в печи материалу, к нагревателям и га­зовой среде, заполняющей рабочее пространство печи.

Огнеупорные материалы обычно производятся на ба­зе дешевого и недефицитного сырья, содержащего в ка­честве основных компонентов глинозем А1₂Оз, кремнезем SiO₂ и окись магния MgO. Для печей сопротивления ос­новным огнеупорным материалом является шамот — материал, содержащий 35—45% А1₂О₃, остальное SiO₂ и небольшую долю примесей. По плотности различают' шамоты плотные (ν=1900-1800 кг/м³) и легковесные (λ= 13004-800 кг/м³). Легковесные шамоты имеют не­сколько меньшую механическую прочность, но они лучше по теплоизоляционным свойствам, поэтому их примене­ние целесообразнее для печей с рабочей температурой до 1200° С. Для высокотемпературных печей в качестве огнеупорных применяют высокоглиноземистые материа­лы (алунд, корунд, корракс), двуокись циркония ZrO_2> а также уголь и графит.

Для плавильных печей в основном применяют сле­дующие огнеупорные материалы: динас (SiО₂ = 94—97%), магнезит (MgO = 95%), хромомагнезит, доломит и шамот. Свойства огнеупорных материалов, наи­более широко применяемых в электрических печах, при­ведены в табл. 1.4.

Огнеупорные материалы производят в виде порош­ков для изготовления набивной части кладки (подин и "стен плавильных печей), тиглей, а также в виде кирпи­чей и фасонных изделий. Наиболее употребительные стандартные прямоугольные кирпичи имеют размеры 230ХИЗХ65 и 250X123X65 мм.

Назначение тепловой изоляций в электрических пе­чах— снижение тепловых потерь через стенки печи. Поэтому основное требование, предъявляемое к тепло­изоляционным материалам, — малый коэффициент теп­лопроводности при достаточной огнеупорности. Тепло­изоляционные материалы представляют собой рыхлые легкие массы или пористые изделия (кирпичи, блоки, плиты).

Наиболее широко применяются в промышленных электропечах следующие теплоизоляционные материа­лы: диатомит, шлаковые и минеральные ваты, перлит, зонолит, различного рода комбинированные материалы на основе асбеста. Для высокотемпературных печей в качестве тепловой изоляции применяют графитовые крупку, вату, вой­лок или другие ватообразные и волокнистые мате­риалы на основе высокоогнеупорных окислов и кар­бидов. В табл. 1.5 даны свойства теплоизоляционных материалов, наиболее широко применяемых в электри­ческих печах.

Нагревательные элементы являются основным узлом конструкции печи сопротивления, определяющим на­дежность работы печи и во многом возможность соблю­дения требуемого технологического режима.

Материалы для нагревательных элементов выбирают в соответствии с требуемой температурой и атмосферой печи. Эти материалы должны обладать жаростойкостью, т. е. способностью не окисляться при высоких темпера­турах, достаточной жаропрочностью (прочностью при высоких температурах) и обрабатываемостью (прокатываемостью, свариваемостью).

Таблица 1.2. Основные свойства некоторых теплоизоляционных материалов

К материалам для нагревательных элементов, кроме того, предъявляют специфические требования, вытекаю­щие из особенностей их работы.

1. Высокое удельное электрическое сопротивление. При малом удельном электрическом сопротивлении на­греватель, питаемый от сети 380 или 220 В, получается чрезмерно большой длины и малого сечения. Такой на­греватель трудно разместить в печи; кроме того, нагре­ватель малого сечения имеет небольшой срок службы. С применением понижающих трансформаторов для пи­тания нагревателей удорожается печь, усложняется об­служивание и увеличиваются потери энергии в токоподводе.

2. Малый температурный коэффициент электричес­кого сопротивления. Если материал обладает значитель­ным температурным коэффициентом, то получается большая разница в электрическом сопротивлении холод­ного и горячего нагревателей, а следовательно, и в мощ­ности, потребляемой печью из сети.

3. Постоянство электрического сопротивления. Мате­риал не должен подвергаться «старению» — увеличению сопротивления с течением времени. В результате «старе­ния» нагревателей уменьшается мощность печи.

Основными материалами для нагревателей промыш­ленных электропечей сопротивления с рабочей темпе­ратурой до 1200°С являются сплавы хромоникелевые, хромоалюминиевые и хромоникельалюминиевые (нихромы с алюминием).

Хромоникелевые сплавы в наибольшей степени удовлетворяют всем требованиям, предъявляемым к материалам для нагревателей. Различают тройные нихромы, содержащие в качестве основных ком­понентов хром, никель и железо (сплав Х15Н60), и двойные (Х2ОН80). Чем больше содержание никеля в сплаве, тем лучше его качество и выше рабочая температура.

В качестве материалов для нагревателей печей с рабочей тем­пературой до 800° С применяют хромоникелевые жаропрочные стали с содержанием хрома 24—27% и никеля 17—20% (Х25Н20 и Х23Н18).

Хромоалюминиевые сплавы имеют в качестве основных легирую­щих добавок, обеспечивающих жаростойкость, хром и алюминий. Сплавы эти по сравнению с нихромами дешевле, но хуже обрабатываются и имеют меньшую прочность при высоких тем­пературах.

Для нагревателей с рабочей температурой до 800°С применяет­ся фехраль (Х13Ю4)—сплав, содержащий в качестве легирующих добавок к железу до 13% хрома и до 4% алюминия.

Для печей с рабочей температурой 800—1250°С используют хромоалюминиевые сплавы с микродобавками редкоземельных эле­ментов (бора, титана и др.) — ЭИ595 (ОХ23Ю5) на максимальную температуру до 1200°С и ЭИ626 (ОХ27Ю5) —до 1300°С.

- Хромоникельалюминиевые сплавы ХН70Ю и Х15Н60ЮЗА ка­чественно лучше безникелевых сплавов и несколько дешевле нихро­мов типа Х20Н80 за счет уменьшения содержания никеля.

Нагреватели из всех этих сплавов наготавливают в виде прово­лочных спиралей и проволочных и ленточных зигзагов на заводах, производящих печи сопротивления. Применяют также готовые на­греватели закрытого типа — трубчатые (ТЭН). Последние применя­ются главным образом для нагрева жидких и агрессивных -сред. Трубчатые нагреватели выпускаются разнообразных форм на разные значения мощности и напряжения.

Для электропечей с рабочей температурой выше 1200—1250° С применяют неметаллические нагреватели: карборундовые, дисилицид-молибденовые, графитовые или нагреватели из тугоплавких металлов — молибдена, тантала, вольфрама.

Таблица 1.3. Основные свойства материалов для нагревательных элементов

*Числитель —в вакууме, знаменатель— в защитной атмосфере.

Для печей с рабочей температурой до 1400° С и окис­лительной атмосферой в рабочем пространстве могут применяться стержневые нагреватели из карборунда. Карборунд (карбид кремния SiC) получают спеканием при 1600—1700° С массы, состоящей из кремнезема и мо­лотого кокса. Карборундовые нагреватели изготавливав ются в виде цилиндрических стержней и известны под названием силитовых и глобаровых. Как силит, так и глобар имеют очень высокое удельное электрическое со­противление, в сотни раз превосходящее удельное сопро­тивление металлических сплавов. Температурный коэф­фициент сопротивления у них переменный. Карборундо­вые стержни подвергаются с течением времени значи­тельному «старению», поэтому питание таких нагрева­телей осуществляется от трансформаторов с регулируе­мым вторичным напряжением.

Для печей с рабочей температурой до 1600° С воз­можно применение нагревателей из дисилицида молиб­дена MoSiO2, получаемого методами порошковой метал­лургии.

Нагреватели из дисилицида молибдена могут рабо­тать в окислительной среде, их максимальная рабочая температура равна 1700°С.. Выпускаются они в виде прямых и изогнутых стержней круглого сечения.

Графитовые нагреватели применяются для высоко­температурных вакуумных печей или печей с нейтраль­ными атмосферами. Максимальная температура графи­товых нагревателей 3000° С, по при работе в вакууме она ниже и зависит от степени разрежения. При высокой степени разрежения наблюдается значительное испаре­ние графита.

Нагреватели из графита выполняются стержневыми, трубчатыми и другой формы. Графит очень хорошо обра­батывается резанием, и поэтому изготовление стержне­вых, трубчатых, пластинчатых и другой формы нагрева­телей основывается на механической холодной обработ­ке. Питание нагревателей осуществляется от понижаю­щих трансформаторов с 1/2—104-60 В.

Металлические нагреватели из чистых тугоплавких металлов (молибдена, тантала, вольфрама, ниобия) при­меняют для печей с рабочими температурами более 1400° С. Для защиты нагревателей от окисления необхо­димы вакуум или нейтральные атмосферы (гелий, ар­гон). Нагреватели выполняются из проволоки, стержней или тонких листов. Питание нагревателей осуществляет­ся от понизительных трансформаторов с регулируемым напряжением.

ПРИНЦИПЫ ИЗМЕРЕНИЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

Под термином «температура» имеют в виду величи­ну, характеризующую степень нагретости вещества. Не­посредственно можно лишь весьма приблизительно оце­нивать температуру тела (холодное, теплое, горячее, рас­каленное), поэтому приходится прибегать к косвенным методам измерения температуры — к измерению таких физических свойств тел, которые однозначно связаны с их температурой и в то же время могут быть сравнитель­но просто и с большой точностью измерены. Для этой цели используют объемное или линейное расширение тел при нагревании (дилатометрические термометры — ртутные и манометрические), изменение их электричес­кого сопротивления (электрические термометры сопро­тивления), изменение развиваемой ими (в паре с дру­гим телом) термоэлектродвижущей силы (термопары), изменение количества излучаемой ими энергии (пиромет­ры излучения).

В электрических печах для измерения температуры и в качестве датчиков для автоматического управления температурным режимом применяют главным образом термоэлектрические термометры, а в высокотемператур­ных печах, особенно когда нужно измерить температуру жидкого металла, используют пирометры излучения.

Термоэлектрические термометры состоят из датчика (термоэлемента, термопары), измерителя термо-ЭДС и соединительных проводов. Термоэлементы состоят из двух разнородных проводников А и В (рис. 1.2, а), со­единенных друг с другом и образующих замкнутую цепь. Если температуры мест соединения проводников не оди­наковы, то в образованной ими цепи появляется термо-ЭДС и начинает протекать ток. Значение термо-ЭДС за­висит от материала обоих проводников и разности их температур. Если температуру одного из соединений поддерживать неизменной (например, как это принято, равной 0°С), то термо-ЭДС будет зависеть лишь от тем­пературы t второго соединения второго спая).

Если цепь из двух таких проводников разрезать (в любом месте, в том числе и в одном из спаев) и вста­вить в цепь третий провод­ник (с на рис. 1.2,б и в), то термо- ЭДС не изменится, если температуры обоих концов третьего проводника будут одинаковыми. Следо­вательно, можно в разрез цепи вставить электроизме­рительный прибор (рис. 1.2, г и д); требуется лишь, чтобы на концах ведущих к нему от термоэлемента про­водников была одна и та же температура t₀ или t\ — они должны присоединяться к термоэлектродам рядом. Прибор будет измерять термо-ЭДС, а следовательно, и температуру t рабочего спая. Из принципа действия термоэлектрического тер­мометра следует, что:

1) способ изготовления рабочего конца термоэлемен­та (сварка, пайка, скрутка) не может влиять на раз­виваемую им термо-ЭДС, если размеры рабочего конца таковы, что температура во всех его точках оди­накова;

2) так как прибор в цепи термоэлемента измеряет не термо-ЭДС, а протекающий в этой цепи ток, то необхо­димо, чтобы сопротивление цепи в эксплуатации оста­валось неизменным и равным его значению при градуи­ровке. Но осуществить это практически невозможно вви­ду того, что сопротивление термоэлектродов и соедини­ тельных проводов меняется с изменением окружающей
температуры. Отсюда возникает одна из принципиаль­ных погрешностей метода погрешность от несоответ­ствия сопротивления схемы ее сопротивлению при гра­дуировке.

Для уменьшения этой погрешности приборы для теп­ловых измерений выполняются высокоомными (50— 100 Ом при грубых измерениях, 200—500 Ом при более точных) и с малым температурным коэффициентом сопротивления. В настоящее время, как правило, применя­ются потенциометрические методы измерения термо-ЭДС;

3) термоэлектрические термометры градуируют всег­да при определенной температуре свободного конца тер­моэлемента — при О °С. Обычно в работе температура свободного конца отличается от градуировочной, в ре­зультате этого возникает вторая принципиальная по­грешность метода — погрешность на температуру сво­бодного конца термоэлемента. Так как эта погрешность может достигать десятков градусов, необходимо в пока­зания прибора вносить соответствующую поправку. В современных приборах эта поправка вносится в их по­казания автоматически.

Любая пара проводящих разнородных материалов может быть использована для создания термо-ЭДС, од­нако лишь немногие из них применяются для изготовле­ния термоэлектродов термопар. Эти материалы должны развивать высокую термо-ЭДС, значения которой долж­ны быть по возможности приблизительно пропорциональ­ны температуре. Материалы должны быть достаточно жаростойкими, чтобы длительно работать при рабочей температуре. Они должны также обладать в течение дли­тельного времени неизменными физическими свойствами при нагреве до рабочей температуры, и их градуировка при этом не должна меняться.

Хорошо зарекомендовали себя и получили широкое распространение следующие термопары.

1) Платинородий-платиновая (ПП). Положительный электрод состоит из сплава платины «Экстра» (90%) и родия (10%), отрицательный электрод — из платины «Экстра». Ввиду дороговизны материала диаметр элек­тродов обычно составляет 0,5 мм. Эти термометры могут быть применены для измерения температур длительно до 1300 °С и кратковременно до 1600 °С при использова­нии их в окислительной газовой среде. В этих условиях термопары зарекомендовали себя как очень надежные. В восстановительной атмосфере термоэлектроды ПП на­углероживаются и быстро разрушаются. В вакууме при 1250°С начинается довольно интенсивное распыление платины, вследствие чего допустимая температура их применения в вакуумных печах ниже, чем в печах с окис­лительной атмосферой.

При технических измерениях эти термопары обычно используются при температуре выше 1000°С, так как при более низких температурах можно использовать более дешевые и удобные (с большей термо-ЭДС) тер­мопары из других сплавов.

2) Хромель-алюмелевый (ХА) термоэлемент выпол­нен из специально разработанных сплавов хромеля иалюмеля и обладает сравнительно высокой термо-ЭДС и строго линейным характером ее изменения в функции от температуры. Он предназначен для длительного изме­рения температур до 1000 °С и кратковременного до 1300 °С. В этих пределах он надежно работает в окисли­ тельной атмосфере; образующаяся на его поверхности пленка окислов защищает внутренние слои от окисления. Это наиболее распространенный термоэлемент.

3) Термоэлемент ПР-30/6 имеет положительный электрод, состоящий изплатинородиевого сплава с со­ держанием родия 30%, и отрицательный — из такого же сплава, но с содержанием родия 6%, Он может рабо­тать при температуре до 1800° С, причем до 200° С еготермо-ЭДС практически равна нулю, вследствие чего не требуется компенсация температуры свободного конца.

Для измерения самых высоких температур применя­ются вольфраморениевые термоэлементы (до 2100— 2200 °С) или термоэлементы, один из электродов которых состоит из чистого графита, а второй — из борида цир­кония (может работать до 2000 °С) или карбида титана (до 2500 °С).

Градуировочные кривые указанных и некоторых дру­гих термоэлементов даны на рис. 1.3.

Термоэлектроды промышленных термоэлектрических термометров выполняются из проволоки диаметром 2— 3 мм. Они соединяются в рабочем конце сваркой и изо­лируются один от- другого фарфоровыми бусами или со­ломкой. Оба термоэлектрода помещаются в фарфоровую защитную трубку с заваренным дном и в жароупорную металлическую арматуру, на конце которой надета штампованная или литая головка. В головке термоэлек­троды соединяются с проводами, ведущими к измери­тельному прибору. Для термометров, работающих при температурах выше 1000—1200 °С, применение металли­ческой арматуры невозможно, вследствие чего термоэлектроды защищаются лишь фарфоровыми трубками и снабжаются арматурой только у свободного конца — в зоне низкой температуры. Огнеупорный фарфор может работать до 1500°С; при более высоких температурах применяются трубки и бусы из спеченной окиси алюми­ния или окиси бериллия.

Термопары с графитовым электродом выполняются без защитных трубок, так как их роль играет сам гра­фитовый электрод, выполняемый трубчатым, со вторым электродом по его оси.

Сопротивление термоэлектродов стандартных термо­пар из неблагородных металлов составляет 0,13—0,18 Ом

Рис. 1.3. Кривые зависимости термо-ЭДС от температуры для наи­более распространенных термоэлементов.

ХА — хромель-алюмель; ХК— хромель-копель; ЖК — железо-копель; МК — медь-копель; ПП — платинородий-платйна; ПР-3016 — платинородий-платино-родий; ТМСВ-340М—силицид молибдена-силицид вольфрама; ТГБЦ-350М — графит-борид циркония; ТГК.Т-360М — графит-карбид титана.

на 1 м длины, для платиноро-дий-платиновых (диаметром 0,5 мм) — 1,5—1,6 Ом на 1 м.

Тепловая инерция стандар­тных термопар очень велика, причем она определяется в ос­новном фарфоровой защитной трубкой. В тех случаях, ког­да такая инерция датчи­ка крайне нежелательна (например, при двухпозиционном регулировании), применя­ются термопары без защитной огнеупорной трубки с вварен­ными в дно защитной арматуры термоэлектродами ли с очень тонкой фарфоровой трубкой. »

Для того чтобы исключить при измерении температу­ры термоэлектрическими приборами погрешность от не­соответствия сопротивления .контура его сопротивлению при градуировке, применяется потенциометрический ме­тод измерения термо-ЭДС. При этом методе термо-ЭДС термоэлемента сравнивается с падением напряжения на участке реохорда R_p (рис. 1.4), питаемого от батареи Л, в котором всегда поддерживается вполне определенный заданный ток. При измерении (ключ К. включен, пере­ключатель Я в положении 2) движок реохорда передвигается до тех пор, пока нуль-прибор НП не покажет от­сутствие тока в цепи термоэлемента, что будет соответ­ствовать равенству термо-ЭДС и падения напряжения в левой части реохорда. Так как в момент измерения ток в контуре термоэлемента отсутствует, то сопротивление этого контура и его изменения не могут влиять на результаты измерения.

При постоянном токе в реохорде падение напряже­ния в нем пропорционально его длине, поэтому реохорд можно отградуировать в милливольтах или непосредственно в градусах.

Для проверки тока в компенсационной цепи исполь­зуется стабилизированный источник напряжения, например нормальный элемент Вестона НЭ (рис. 1.4), ЭДС которого сравнивается с падением напряжения на эта­лонном резисторе r_н,эля чего переключатель П ставится в положение 1. Так как ЭДС нормального элемен­та строго постоянна, моменту ее равенства падению напряжения на R_K,₃ соответствует вполне определенный ток компенсационной цепи. Установка этого тока осуществляется при помощи реостата г. В современных автоматических потенциометрах такая стандартизация тока осуществляется периодически самим прибором.

Так как реохорд и эталонный резистор могут быть выполнены с очень большой точностью, так же как и поддержание неизменным тока в реохорде, то точность изме­рения в таких потенциометрах может быть доведена до 0,1%. Технические приборы выпускаются класса точности 0,5.

Как уже отмечалось, температура свободного конца термопары может весьма сильно отличаться от градуи-ровочной и достигать 100°С, особенно если головка тер­мопары находится около кожуха печи. Для того чтобы снизить температуру свободного конца и ее изменения во времени, надо довести конец до помещения, где темпе­ратура сравнительно стабильна, например до зажимов измерительного прибора, расположенного на щите управ­ления. Однако вести термоэлектроды по помещению до указанного места неудобно, так как они выполнены из жесткой проволоки без изоляции, а некоторые чересчур дороги (например, платина и ее сплавы). Поэтому го­ловку термопары соединяют с измерительным прибором не самими термоэлектродами, а компенсационными про­водами — многожильными, гибкими, в изоляции, кото­рыми удобно вести монтаж. Эти провода состоят также из двух материалов (прямой и обратный провод), которые подбирают таким образом, чтобы в паре друг с другом они давали в пределах 0—100°С такую же термо-ЭДС, как и основные термоэлектроды при таких же тем­пературных условиях. Для каждого типа термоэлемента имеются свои компенсационные провода, отличающиеся, чтобы их не спутать, своей маркировкой оплетки. Для того чтобы исключить погрешность от колебаний темпе­ратуры в измерительном приборе, к которому подведен свободный конец (с помощью компенсационных проводов), последовательно с термопарой в приборе включа­ется мост компенсации температуры свободного конца (рис. 1.5). Он состоит из резисторов R_1-4 диагональ питается постоянным током от выпрямителя В. Из этих резисторов три выполняются из манганина, и их сопротивления не зависят от окружающей температуры, а резистор R₁ — из меди или никеля и размещается около места присоединения компенсационных прово­дов с тем, чтобы их температуры были одинаковы. Сопротивление R₁ рассчитывается таким образом, чтобы при О °С мост был уравновешен и напряжение на его выходной диагонали cd равнялось нулю. Если же темпе­ратура резистора R₁ (а следовательно, и свободных кон­цов компенсационных проводов) повысится, то на вы­ходной диагонали моста появится напряжение, которое компенсирует уменьшение термо-ЭДС термоэлемента, вызванное нагревом его свободного конца.

Рис. 1.5. Принципиальная схема моста компенсации температуры свободного конца термопары.

Современные автоматические потенциометры содержат такой мост компенсации температуры свободного конца термоэлемента. Принципиальная схема такого потенциометра показана на рис. 1.6. Реохорд R_p включен в схему моста компенсации температуры свободного конца термоэлемента из четырех резисторов, из которых яа, Яв» rk выполнены из манганина, a rm —из меди. Падение напряжения на реохорде в сумме с напряжени­ем выходной диагонали моста 'должно уравновешивать термо-ЭДС термоэлемента Т, в этом случае поступающий на вибропреобразователь ВП (схема в положении «Измерение», переключатель Я в верхнем положении И] сигнал равен нулю. Если же баланс нарушается (термо-ЭДС термоэлемента становится больше или меньше по­тенциала между точками Л и Б), то на вибропреобразо­ватель подается сигнал разбаланса того или иного знака.

Рис. 1.6. Принципиальная схема автоматического потенциометра.

Этот сигнал в вибропреобразователе превращается в сигнал переменного тока, который через трансформатор Тр подается в усилитель переменного тока У. Усиленный сигнал передается на реверсивный двигатель РД и при­водит его во вращение. Направление вращения двигате­ля зависит от фазы сигнала. Он может совпадать по фа­зе с напряжением питающей сети или может быть сдви­нут на 180° в зависимости от полярности сигнала, т. е. от того, что больше — термо-ЭДС или напряжение U_AB. Вращаясь, двигатель перемещает движок реохорда в сто­рону восстановления баланса и одновременно указатель температуры УТ с пером, записывающим эту температу­ру на двигающейся вниз бумажной ленте БЛ.

Переключатель П периодически переключается в нижнее положение К, при этом вибропреобразователь оказывается подключенным к сумме напряжения нор­мального элемента НЭ (или другого стабилизированно­го источника напряжения) и падения напряжения на эталонном резисторе /?_к, входящем в мост компенсации температуры свободного конца. Эти напряжения направ­лены противоположно, поэтому, если они равны и, сле­довательно, ток моста (а значит, и реохорда) соответст­вует заданному, то результирующий сигнал равен нулю. Если же ток моста отклонился от заданного значения в ту или иную сторону, то на вибропреобразователе появ­ляется сигнал того или иного знака и реверсивный дви­гатель, который при переключении переключателя П отключился от реохорда и подключился к реостатам тон­кой и грубой регулировки R₁и R₂, включенным в питающую диагональ моста, начинает перемещать их движки в нужную сторону. Тем самым восстанавливается равен­ство между падением напряжения на резисторе /?_к и напряжением нормального элемента, а следовательно, и заданное значение тока реохорда.

Класс точности современных автоматических потен­циометров равен 0,5 и даже 0,25; для обслуживания электропечей прецизионного нагрева применяются узко­предельные потенциометры со шкалой ±125, 250 и 5СЮ мкВ, на которые подается лишь небольшая часть раз­виваемой термоэлементом термо-ЭДС, в то время как основная ее часть уравновешивается «подавителем ну­ля» — добавочным прецизионным источником напряже­ния. Это позволяет регистрировать не полное значение температуры, а лишь ее колебааця в узких пределах, но точность регистрации может достигать 0,1 °С. Автоматические потенциометры используются не толь­ко для записи, но и для регулирования температурного режима печей.

В тех случаях, когда измерение температуры объекта путем непосредственного контакта с ним датчика невоз­можно из-за слишком высокой температуры, агрессивно­го характера среды или быстрого перемещения объекта, применяют пирометры излучения, основанные на связи между температурой тела и количеством излучаемой им энергии. При этом можно использовать для измерения температуры излучающего тела всю излучаемую им энергию — в этом случае мы будем иметь дело с пиро­метрами полного излучения, или радиационными, Можно использовать лишь часть спектра излучения, выделив с помощью светофильтра узкий участок монохроматичер-кого излучения (пирометры частичного излучения, или оптические). Наконец, можно выделить два монохрома­тических участка излучения в разных частях спектра и суднть о температуре объекта, сравнивая их интенсив­ность, — на этом основаны цветовые пирометры.

В радиационных пирометрах полное излучение тела направляется с помощью оптической системы на рабочий конец термоэлемента и нагревает последний. Чем выше температура излучающего тела, тем больше его излуче­ние и тем больше, следовательно, температура рабочего конца термоэлемента и его термо-ЭДС. Поэтому такой прибор можно градуировать непосредственно на темпе­ратуру измеряемых тел.

Но так как излучение тела зависит не только от его температуры, но и от его коэффициента теплового излу­чения, разные тела при одной и той же температуре бу­дут посылать,на рабочий конец термоэлемента пиромет­ра разное количество энергии. Поэтому градуировку этих пирометров производят по специальной эталонной лампе, имеющей свойства абсолютно черного тела. При измерении температуры реальных физических тел пиро-^метр будет показывать меньшую против действительной яркостную температуру интегрального излучения. Для большинства нагреваемых в электрических печах изде­лий и материалов, поверхность которых окислена, коэф­фициент теплового излучения 8=0,9-7-0,7, и для них по­грешность измерения составит 2,5—9,0%. В случае нагрева в защитной атмосфере или в вакууме, когда по­верхность тел блестящая и е достигает 0,4—0,3, погреш­ность равна 25—35%. Поэтому с помощью радиационно­го пирометра нельзя вести точное измерение температу­ры, пользоваться им можно лишь в случаях, когда по­верхность объекта излучения близка по своим свойствам к абсолютно черному телу или точно известен коэффи­циент теплового излучения тела, температуру которого надо измерить.

Значительно более точными по сравнению с радиа­ционными являются оптические пирометры (пирометры частичного излучения). Они работают на принципе срав­нения яркости свечения измеряемого тела с яркостью свечения нити электрической лампочки, температура ко­торой однозначно связана с проходящим через нее то­ком. Сравнение осуществляется наблюдателем, причем человеческий глаз способен весьма точно уловить момент равенства яркостного свечения обоих объектов, когда температуры и нити, и измеряемого тела будут равны и могут быть определены по показанию включенного в цепь лампы прибора, заранее проградуированного непосредст­венно в градусах.

При работе с оптическим пирометром используют не всю энергию излучения нити и измеряемого тела, а лишь часть ее в зоне красного излучения с максимумом интен­сивности при длине волны около 0,65 мкм. Для этой цели перед глазом наблюдателя установлен красный фильтр, задерживающий все волны с длиной менее 0,62 мкм.

С другой стороны зона ограничена чувствительностью че­ловеческого глаза, которая спадает до нуля для лучей с Я^0,7 мкм.

Использование монохроматического излучения в об­ласти видимой части спектра вызванотем^что интенсив­ность этого излучения растет с увеличением температуры намного быстрее по сравнению с интегральным излуче­нием, и поэтому малые изменения температуры дают при этом большие отклонения яркости, что намного повышает точность измерения. Выбор красного светофильтра, обес­печивающего работу прибора с монохроматическим из­лучением при А=0,65 мкм, обусловлен желанием произ­водить измерения сравнительно низких температур (700—1000°С), так как в этом диапазоне интенсивность, красного излучения наибольшая.

Оптические пирометры, как и радиационные, градуи­руют по излучению абсолютно черного тела. Поэтому при измерении температур реальных тел они показывают более низкую по сравнению с действительной — так на­зываемую яркостную монохроматическую температуру, т. е. температуру абсолютно черного тела, при которой интенсивность монохроматического излучения последне­го равна интенсивности монохроматического излучения реального тела. Однако погрешность от неполноты излу­чения у оптического пирометра меньше, чем у радиацион­ного. Так, при коэффициенте теплового излучения 0,9—0,7 погрешность в измерений равна 7—25°С при изме­рении температуры около 1000°С и 15—50 °С при изме­рении температуры 1500 °С, т. е. достигает 0,7—3,0%, Тем не менее для неокисленных тел (в вакууме, защит­ной атмосфере) с ε = 0,3-0,4 эта погрешность может достигать 100°С.

Схема оптического пирометра показана на рис. 1.7. Он представляет собой телескоп, в котором изображение нагретого тела проектируется объективом 3 на плоскость вольфрамовой нити специальной лампы накаливания 1; это изображение и нить можно рассматривать через оку­ляр 4, причем наблюдатель видит на фоне тела либо более темное, либо более светлое изображение нити. Регу­лируя реостатом 2 ток в лампе можно добиться полного исчезновения средней части нити на фоне измеряемого тела, что соответствует равенству их температур. Вклю­ченный в цепь нити накала лампы миллиамперметр зара­нее градуируется « градусах и, следовательно, показывает температуру нити, поэтому по нему можно прямо прочесть измеряемую яркостную температуру.

Рис. 1.7. Оптический пирометр с исчезающей нитью.

В окуляре имеется красный светофильтр 5 с механиз­мом установки 6, обеспечивающий сравнение яркости нити и нагретого тела в лучах с длиною волны 0,65 мкм. Для того чтобы иметь возможность измерять более вы­сокие температуры, -используется нейтральный (дымча­тый) светофильтр 7, который может быть установлен при помощи механизма 8 между объективом и лампой: Этот светофильтр задерживает часть лучей, идущих от измеряемого тела, и яркость нити сравнивается с пони­женной яркостью объекта. Применяя несколько таких фильтров с равной степенью поглощения, можно полу­чить несколько температурных диапазонов применения пирометра. Нижняя граница измеряемых температур равна 700 °С, наивысшая может быть доведена до 4000°С.

Оптические пирометры в отличие от радиационных требуют наблюдателя и поэтому не могут быть исполь­зованы для регистрации или автоматического регулиро­вания.