Одним из способов решения этой проблемы в пирометрии является разнесение в пространстве приемной оптической системы (оптической головки) и ИК-датчика с блоком электроники посредством оптоволоконного кабеля. На российском рынке представлены модели оптоволоконных пирометров зарубежных фирм, но существенным ограничением их применения в отечественной промышленности является их высокая стоимость и большие затраты при замене специализированного оптоволоконного кабеля (обычный оптоволоконный кабель, применяемый в линиях связи, не подходит для измерения температуры).
В ходе исследований были определены основные требования к оптоволокну как к линии передачи аналогового сигнала:
термостойкость;
передача достаточной мощности потока излучения на датчик;
минимальные изменения сигнала при изгибе кабеля;
минимальное воздействие электромагнитных полей и ТВЧ.
Была поставлена задача разработать оптоволоконный пирометр и оптоволоконный кабель для него с метрологическими характеристиками на уровне импортных аналогов, но более доступный по стоимости.
От наиболее распространенных из стандартных оптических волокон, применяемых для связи, — с пластиковыми оболочками — пришлось отказаться. Во-первых, рабочий температурный диапазон для них ограничен +70…+80° С, а во-вторых потери при изгибе были слишком большими (из-за тонкой сердцевины).
Оптическое волокно с сердцевиной и оболочкой из кварцевого стекла может выдерживать эксплуатацию при температурах до 600° С и намного более стойко к механическим деформациям. После оценки площади приемных площадок датчиков и технологических возможностей оборудования нами были разработаны и изготовлены оптоволоконный кабель и оптическая приемная головка с оптоволокном из кварцевого стекла, диаметр кварцевой сердцевины 500 мкм. С волокном такого диаметра легко работать, и чувствительность по уровню шумов позволяла измерять температуры с 250°С. Но при испытаниях на изгиб уровень сигнала изменялся на 3–5% из-за ослабления мод высоких порядков. Следовало не допускать моды высоких порядков на входе в оптоволокно.
В конструкцию оптической приемной головки была установлена апертурная диафрагма, которая ограничивала моды высоких порядков. В результате зависимость от изгиба кабеля снизилась до 0,1%.
В качестве внешней защитной оболочки используется металлорукав из нержавеющей стали с внешним диаметром 6 мм, но наличие фторопластовых деталей в конструкции ограничивает температуру эксплуатации до 150° С.
Со стороны, подключаемой к пирометру, кабель электрически изолирован от прибора. Длина кабеля ограничивается только технологией сборки, и в настоящий момент на предприятии освоено изготовление кабеля длиной до 10 м.
Параллельно с разработкой оптоволоконного кабеля велась разработка блока обработки сигнала. Блок обработки не только должен измерять поток излучения и рассчитывать температуру, но и обеспечивать возможность подсветки области измерения для точного наведения в нужное место на объекте. Таким образом, появился первый на предприятии оптоволоконный пирометр ПД-7. Для осуществления подсветки области измерений был выбран самый простой вариант — ручное переключение оптического разъема кабеля при наведении/измерении между соответствующими разъемами пирометра. После наведения оптической головки в нужное место ее кронштейн фиксируется затяжкой винтов, и кабель подключается к измерительному каналу.
Дополнительно пирометр ПД-7 может быть укомплектован специальным металлическим чехлом, на дно которого фокусируется приемник ИК-излучения. Такая схема позволяет измерять температуру среды, в которой находится защитный чехол — аналог термопары.
Технические характеристики пирометра ПД-7
основная приведенная погрешность: 0,5%
разрешающая способность: 0,01° C
показатель визирования: 1:150
температура окружающей среды: 5…50° C
температура эксплуатации оптической головки оптоволоконного кабеля: –40…+150° C
коррекция излучательной способности: 0,1–1,5, шаг 0,001
питание: 24 В
Для упрощения построения АСУ ТП на базе пирометра ПД-7 был разработан пирометр ПД-10, который может выполнять функции ПИД-регулятора. Прибор подключается к клеммам светодиода твердотельного реле или оптрона, управляющего нагревателями, и к силовой сети 220 или 380 В. Способ регулирования — фазовый. Настройка параметров регулирования осуществляется как при помощи кнопок управления, так и с ПК.
Следующим этапом стало объединение возможности измерения и подсветки. Это особенно актуально в случае, если объекты измерений перемещаются, либо в зоне измерений высокий уровень вибраций, сбивающих наведение. На базе имеющегося оборудования и опыта была разработана технология изготовления многожильного оптоволоконного кабеля. Центральная жила используется для передачи излучения объекта, боковые — для лазерной подсветки. При работе прибора светящиеся точки окружают область измерений. Появляется возможность не только оперативно наводиться в нужное место, но и контролировать размер области измерений и фокусировку.
Такая оптическая схема была использована при разработке пирометра ПД-6, который по функциям (кроме подсветки) и метрологическим характеристикам является аналогом ПД-7. Первые образцы пирометра ПД-6 были переданы на опытную эксплуатацию для измерения температуры при сварке рельсового стыка ТВЧ. Выяснилось, что металлорукав из нержавеющей стали обладает небольшой магнитностью и разогревается ТВЧ, так как находится вблизи места сварки. Приобрести металлорукав из немагнитного материала не удалось, было принято решение разработать и изготовить защитную оболочку своими силами.
Конструкция оболочки представляет собой навитую из немагнитной проволоки пружину с усаженной поверх нее фторопластовой трубкой. Фторопластовая трубка при усадке продавливается вглубь витков пружины и в дальнейшем не дает ей растягиваться, сжиматься, сгибаться с малым радиусом. Стальную проволоку использовать было нельзя, бронзовая также нагревалась, очевидно, из-за посторонних примесей, медная и алюминиевая не обладают нужной жесткостью. Хорошие результаты были получены с копелевой проволокой, применяемой для изготовления термопар. В отличие от металлорукава новая оболочка обладает герметичностью, что важно при измерениях температуры внутри вакуумных установок и т. п., в этом случае место ввода кабеля намного легче загерметизировать. Кабель обладает достаточной гибкостью, его можно проложить внутри установки до места, где обеспечивается прямая видимость объекта контроля. Корпус пирометра изготовлен из алюминия, в конструкции кабеля и оптической головки нет магнитных деталей.
Пирометр также имеет электронный ключ, с помощью которого можно управлять нагревом или сигнализировать о достижении заданной температуры.
Технические характеристики пирометра ПД-6
диапазон измерения температуры, єС 300…1000
основная погрешность, %: ± 0,5
показатель визирования: 1:100
напряжение питания, В: 24 ± 0,5
температура окружающей среды, єС: 5…50
температура эксплуатации приемника ИК-излучения, єС: –40…150
коррекция излучательной способности: 0,1…1,5 (шаг 0,001)
спектральный диапазон, мкм: 0,9…1,7
перестраиваемый унифицированный токовый выход, мА: 0–5, 0–20, 4–20
связь с ПК: RS-232
степень защиты от пыли и воды: IP00
Если доступ к объекту ограничен, вблизи объекта слишком высокая температура, высокое напряжение и т. п., то в этом случае целесообразно использовать пирометры с мощной оптикой (высоким показателем визирования) и подсветкой области измерения температуры. Высокий показатель визирования позволит установить пирометр на достаточном расстоянии от объекта. Если площадь объекта мала, либо он частично перекрывается другими деталями, например витками индуктора и т. п., есть возможность проводить измерения за счет высокого показателя визирования и точной фокусировки на объекте. Такими возможностями обладает пирометр ПД-9. Он оснащен объективом с широким диапазоном регулировки и круговым лазерным целеуказателем.
Пирометр подключается к COM-порту компьютера посредством входящего в комплект поставки кабеля с оптопарной развязкой на входе в компьютер, при этом порт компьютера электрически изолирован от цепей прибора.
Необходимое метрологическое оборудование для градуировки, калибровки и поверки пирометров состоит из набора моделей АЧТ на разные диапазоны температур, калиброванных диафрагм, вспомогательного оборудования. На ОАО НПП «Эталон» были разработаны и сертифицированы модели абсолютно черного тела АЧТ-30/900/2500, АЧТ-45/100/1100, АЧТ-100/-40/40, воспроизводящие диапазон температур от –40 до 2500
