CC BY
16
УДК 536.521
ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ПИРОМЕТРОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ПЛАМЕНИ И ОБЪЕКТОВ СКВОЗЬ ПЛАМЯ
С.А. Гарелина
кандидат технических наук, доцент кафедры механики и инженерной графики, ФГВВОУ ВО «Академия гражданской защиты МЧС России»
Адрес: 141435, Московская обл., г.о. Химки, мкр. Новогорск E-mail: rolruQmail.ru
К.П. Латышенко
доктор технических наук, профессор, профессор кафедры механики и инженерной графики,
ФГВВОУ ВО «Академия гражданской защиты МЧС России».
Адрес: 141435, Московская обл., г.о. Химки, мкр. Новогорск E-mail: kplatQmail.ru
A.B. Фрунзе
доктор технических наук, директор НТП «Термоконт» Адрес: 119361, Москва г, ул.Озёрная, д.42, пом.4 E-mail: pirometerQinbox.ru
P.A. Горбунов
начальник лаборатории, ФВУ «Ростест-Москва» Адрес: 117418, г. Москва, Нахимовский пр-кт, д. 31. E-mail: ruslanAGQrostest.ru
Аннотация. В статье представлены результаты практической реализации семейства пирометров «Термоконт — ТНЗ/ЧПЛ» для измерения температуры объектов, маскируемых языками пламени, и семейства «Термоконт-ТНЗ/СОг» — для измерения температуры пламени. Оба семейства включают в себя по три модификации стационарных приборов и по три - переносных. Разработаны схемы этих пирометров на основе созданного алгоритма оптимального проектирования.
Ключевые слова: пирометрия, монохроматический пирометр, пирометр для измерения температуры сквозь пламя, пирометр для измерения температуры пламени, метрологические и технические характеристики.
Цитирование: Гарелина С. А., Латышенко К. П., Фрунзе A.B., Горбунов P.A. Практическая реализация пирометров для измерения температуры пламени и объектов сквозь пламя // Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. 2020. № 2 (45). С. 110 - 115.
В статье [1] показано, что пирометры для измерения температуры пламени и температуры объектов сквозь пламя относятся к типу узкоспециализированных монохроматических пирометров, работающих на длинах волн 4,26 и 3,91 мкм соответственно. Выбор длин волн определен в первом случае спектром поглощения ИК - излучения углекислым газом, а во втором - наличием окна прозрачности атмосферы в диапазоне от 3,6 до 4 мкм.
Выбор спектрального диапазона работы энергетического пирометра предопределил спектральные характеристики оптической системы (она должна быть прозрачной в этом диапазоне). В настоящее время оптику таких приборов изготавливают из таких материалов,
как селенид цинка (2пБе) или сульфид цинка (2пБ), реже из более дорогого германия Ое или кремния БЬ Приемниками служат термобатареи из зачерненных термопар «висмут - сурьма» с установленными на входе интерференционными фильтрами на нужную длину волны [2].
Создание и реализация пирометров «Термоконт — ТНЗ/ЧПЛ» для измерения температуры объектов, маскируемых языками пламени, и семейство «Термоконт — ТНЗ/СО2» — для измерения температуры пламени велось согласно разработанного алгоритма оптимального проектирования энергетических пирометров (рисунок 1).
Рисунок 1 - Алгоритм оптимального проектирования энергетических пирометров
Оба семейства энергетических пирометров включают в себя по три модификации стационарных приборов и по три - переносных.
Пирометры «Термоконт — ТНЗ/ЧПЛ» относятся к монохроматическим пирометрам, работающим на уже упомянутой длине волны 3,91 мкм.
Основные технические характеристики
пирометров «Термоконт-ТНЗ/ЧПЛ»:
диапазон измеряемых температур 500 - 1500 °С;
диапазон рабочих температур 0 - 50 °С; спектральный диапазон 3,91 мкм; показатель визирования 40:1; быстродействие 0,3 с;
основная относительная погрешность 2 %.
Переносные пирометры семейства имеют три модификации: «Термоконт — ТНЗП/ЧПЛ», «Термоконт — ТНЗП1/ЧПЛ» и «Термоконт — ТНЗП2/ЧПЛ». Первая является базовой моделью. Вторая позволяет проводить серию измерений (измерения проводят непрерывно до тех пор, пока не будет отпущен «курок» пирометра) с последующим нахождением среднего значения по серии измерений, максимального и минимального значения измерения. Также (вместе) отображается последнее значение в серии измерений и количество измерений в текущей серии. Благодаря микропроцессору эта обработка проводится в реальном масштабе времени, в течение доли секунды после завершения измерения серией.
Использование таких режимов достаточно удобно при измерении температуры объекта, маскируемого языками пламени. Ведь из-за пламени объект виден лишь частично или не виден вовсе, и навести прибор на него — задача непростая, а тем более, найти наиболее нагретую или холодную часть его поверхности. Используя пирометр «Термоконт — ТНЗП1/ЧПЛ», это сделать относительно несложно. Для этого необходимо навести пирометр на пламя в ту область, где находится маскируемый пламенем объект, нажать «курок» и, не отпуская его, в течение 20-30 секунд сканировать пирометром область пламени перед объектом (вверх-вниз, вправо-влево, по предполагаемому периметру объекта, по диагоналям и т.д.). Как только «курок» будет отпущен, серия измерений закончится, и на дисплее можно просмотреть упомянутые максимум и минимум в каждой серии и среднее значение по серии. Поскольку быстродействие пирометра составляет 0,3 с, то за 20-30 с будет сделано примерно 70-100 измерений, и при сканировании в течение такого времени вероятность того, что оператор захватит область интересующего температурного экстремума близка к 1. Поэтому найденный максимум (или минимум) и является максимумом (минимумом) температуры измеряемого объекта.
Пирометр «Термоконт — ТНЗП2/ЧПЛ» снабжен энергонезависимой памятью на 511 результатов. Это позволяет сделать большое количество измерений, сохранить их в энергонезависимой памяти и затем (можно да-
же спустя несколько часов), подсоединив пирометр к компьютеру, сбросить в него результаты измерений для последующей обработки.
Стационарные пирометры семейства также имеют три модификации, обозначаемые «Термоконт — ТНЗС/ЧПЛ», «Термоконт — ТНЗС1/ЧПЛ» и «Термоконт
— ТНЗС2/ЧПЛ». Стационарные приборы устанавливают в месте, где необходимо провести непрерывное измерение в течение длительного (несколько минут и более) времени. Прибор фиксируют на поверхности, наводят на нужную область, соединяют со вторичным регистрируемым устройством и включают. Результаты измерения выводятся на регистратор с интервалом 0,3 с.
Различие между модификациями заключается в типе выходного сигнала. Выходной сигнал «Термоконт — ТНЗС/ЧПЛ» 0-20 мА, «Термоконт — ТНЗС1/ЧПЛ» — токовый 4-20 мА, а «Термоконт - ТНЗС2/ЧПЛ»
— цифровой сигнал по протоколу RS - 232 на персональный компьютер. В остальном же эти приборы идентичны.
Семейство пирометров для измерения температуры пламени «Термоконт — ТНЗ/СО2» по составу и характеристикам идентично семейству «Термоконт — ТНЗ/ЧПЛ», различие состоит лишь в рабочей длине волны — это 4,26 мкм: диапазон измеряемых температур 250 — 1500 °С; основная погрешность измерений ±1 %; спектральный диапазон 4,26 мкм; показатель визирования 60:1. Схема переносных пирометров «Термоконт» приведена на рисунке 2, а стационарных — на рисунке 3.
Оптическая система рассматриваемых пирометров представлена одиночной линзой из селенида цинка (ZnSe), прозрачной на уровне 50-70 % в диапазоне длин волн 0,5-20 мкм. Приемник излучения представляет собой батарею из более чем 100 напыленных на прозрачную целлулоидную подложку термопар из материалов «висмут - сурьма». «Горячие» спаи покрыты чернью для их более эффективного нагрева принятым излучением. В передней части приемника, обращенной к оптической системе, размещен интерференционный светофильтр, пропускающий излучение на нужной длине волны (3,91 мкм или 4,26 мкм).
Рисунок 2 Схема переносного энергетического пирометра «Термоконт»: 1 оптическая система; 2 узел приемника с фильтрами; 3 усилитель (усилитель-преобразователь «ток напряжение» с логарифматором); 4 аналогово цифровой преобразователь; 5 узел микроконтроллера; 6 система индикации; 7 органы управления; 8 источник питания
Рисунок 3 Схема стационарного энергетического пирометра «Термоконт»: 1 оптическая система; 2 узел приемника с фильтрами; 3 усилитель (усилитель-преобразователь «ток напряжение» с логарифматором); 4 аналогово цифровой преобразователь; 5 узел микроконтроллера; 6 система индикации; 7 органы управления; 8 источник питания; 9 узел формирования выходного сигнала
Поскольку вырабатываемый приемником сигнал представляет собой электродвижущую силу (далее ЭДС) батареи термопар микровольтового уровня, он требует усиления перед оцифровкой и последующей обработкой.
Для этой цели использованы прецизионные chopper усилители со стабилизацией
входного смещения, осуществляемой при периодическом замыкании его входов [3].
Фотографии пирометров «Термоконт ТНЗП1/ЧПЛ», «Термоконт ТНЗП2/С02» и «Термоконт - ТНЗС/ЧПЛ» приведены на рисунках 4 6 соответственно.
Рисунок 4 - «Термоконт — ТНЗП1/ЧПЛ»
Рисунок 5 - «Термоконт — ТНЗП2/С02»
Заключение
В данной статье представлен разработанный алгоритм оптимального проектирования энергетических пирометров, лежащий в основе создания двух семейств пирометров для измерения температуры пламени «Термоконт — ТНЗ/С02» и объектов сквозь
пламя «Термоконт — ТНЗ/ЧПЛ». Оба семейства включают по три модификации стационарных приборов и по три - переносных, различие между которыми в типе выходного сигнала. Приведены их схемы, технические характеристики и отмечены особенности некоторых узлов.
Литература
1. Гарелина С. А., Горбунов Р. А., Латышенко К.П., Фрунзе А.В. Математическая модель пирометра для измерения температуры пламени и объектов сквозь пламя / / Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. 2020. Ш (45). С. 98 — 103.
2. Магунов А.Н. Спектральная пирометрия. - М.: Физматлит, 2012. 248 с.
3. Фрунзе А.В. Техника для пирометрии - Saarbriiken, Deutschland, LAMBERT Academic Publishung, 2015. 201 с.
PRACTICAL IMPLEMENTATION OF PYROMETERS FOR MEASURING FLAME TEMPERATURE AND OBJECTS THROUGH THE FLAME
S.A. GARELINA
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Mechanics and Engineering Graphics, Civil Defence Academy EMERCOM of Russia Address: 141435, Moscow Region, Khimki, md. Novogorsk E-mail: rolruQmail.ru
K. P. LATYSCHENKO
Doctor of Technical Sciences, Professor,
Professor of the Department of Mechanics
and Engineering Graphics,
Civil Defence Academy EMERCOM of Russia
Address: 141435, Moscow Region, Khimki,
md. Novogorsk
E-mail: kplatQmail.ru
A.V. FRUNZE
Doctor of Technical Sciences, Director of NTP "Termokont" Address: 119361, Moscow, Ozernaya st., 42, office 4 E-mail: pirometerQinbox.ru
R.A. GORBUNOV
Chief laboratories FBIJ "Rostest-Moscow" Адрес: 117418, Moscow, Nakhimovsky pr-kt, 31 E-mail: ruslanAGQrostest.ru
Abstract The article presents the results of the practical implementation of the family of pyrometers «Thermocont — TNZ / CPL» for measuring the temperature of objects masked by the flames, and the family «Thermocont — TNZ / C02» - for measuring the flame temperature. Both families include three modifications of stationary devices and three modifications of portable ones. The schemes of these pyrometers have been developed based on the created algorithm for optimal design.
Keywords: pyrometry, monochromatic pyrometer, pyrometer for measuring temperature through a flame, pyrometer for measuring flame temperature, metrological and technical characteristics. Citation: Garelina S.A., Latyschenko K. P., Frunze A.V., Gorbunov R.A. Practical implementation of pyrometers for measuring the temperature of a flame and objects through a flame // Scientific and educational problems of civil protection. 2020. No. 2 (45). p. 110 - 115.
References
1. Garelina S.A., Gorbunov R.A., Latyshenko K.P., Frunze A.V. Mathematical model of a pyrometer for measuring the temperature of a flame and objects through the flame // Scientific and educational problems of civil protection. 2020.Vol.2. No. 45. S. 98 - 103.
2. Magunov A.N. Spectral pyrometry. - Moscow: Fizmatlit, 2012 . 248 p.
3. Frunze A.V. Technique for pyrometry - Saarbriiken, Deutschland, LAMBERT Academic Publishung, 2015. 201 p.
