Автоматизация печей и систем очистки газов

№ 1187

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Кафедра теплофизики и экологии металлургического
производства

Автоматизация печей
и систем очистки газов

Лабораторный практикум

Допущено учебнометодическим объединением 
по образованию в области металлургии в качестве
учебного пособия для студентов высших учебных
заведений, обучающихся по направлению Металлургия

Москва   Издательский Дом МИСиС
2008

УДК 536.6.08 
 
А22 

Р е ц е н з е н т  
канд. техн. наук С.В. Коминов 

Авторы: А.М. Беленький, А.Н. Бурсин, А.В. Кадушкин, 
С.И. Калимулина, В.В. Курносов, К.С. Шатохин 

 
Автоматизация печей и систем очистки газов: Лаб. прак- 
А22 тикум / А.М. Беленький, А.Н. Бурсин, А.В. Кадушкин и др. – 
М.: Изд. Дом МИСиС, 2008. – 113 с. 

В лабораторном практикуме представлены методы контроля теплотехнических параметров и изучения систем автоматического управления агрегатами в металлургии. Лабораторные работы позволяют овладеть навыками: работы с печными установками, приборами, средствами измерения и системами автоматизации; использования современных методов метрологии; владения компьютерной системой сбора, хранения и обработки измерительной 
информации. Приведены краткое описание необходимого теоретического 
материала и лабораторных установок, указания по выполнению экспериментов и измерений, контрольные вопросы и задачи, предназначенные для проверки усвоения материала. Имеются указания на необходимые учебники и 
другие литературные источники. 
Предназначен для бакалавров специальности 150103, изучающих курс 
«Автоматизация печей и систем очистки газов», а также для студентов специальности 150105, изучающих курс «Автоматизация нагрева и термическая 
обработка металлов», и специальности 280202, изучающих курс «Основы автоматизации технологических процессов, очистки газов и воды». 

© Государственный технологический  
университет «Московский институт 
стали и сплавов» (МИСиС), 2008 

СОДЕРЖАНИЕ 

Введение....................................................................................................4 
Правила техники безопасности при проведении лабораторных 
работ в межкафедральной лаборатории «Теплотехнические 
измерения в металлургии».......................................................................5 
Лабораторная работа 1. Термоэлектрические термометры и 
термометры сопротивления.....................................................................8 
Лабораторная работа 2. Пирометры излучения...................................29 
Лабораторная работа 3. Методы измерения расхода газа и 
жидкости..................................................................................................39 
Лабораторная работа 4. Автоматический оперативный 
контроль состава металла ......................................................................53 
Лабораторная работа 5. Измерение температуры жидкого 
металла.....................................................................................................58 
Лабораторная работа 6. Определение динамических 
характеристик объектов автоматического регулирования .................66 
Лабораторная работа 7. Исследование замкнутой системы 
автоматического регулирования с ПИ- и ПИД-регуляторами...........77 
Лабораторная работа 8. Исследование системы регулирования 
температуры печи с использованием двухсенсорной системы 
контроля действительной температуры металла.................................93 
Приложение 1. Градуировочная характеристика 
термоэлектрического термометра градуировки ХА (K) ...................101 
Приложение 2. Градуировочная характеристика 
термоэлектрического термометра градуировки ХК (L)....................102 
Приложение 3. Требования к градуировочным 
характеристикам металлических термометров сопротивления .......103 
Приложение 4. Исходные коэффициенты расхода стандартных 
диафрагм и сопл....................................................................................103 
Приложение 5. Номограммы для определения поправочного 
множителя на расширение струи ........................................................104 
Приложение 6. Многоканальные прецизионные цифровые 
термометры (регуляторы) серии МИТ 8 ............................................105 
Приложение 7. Технические характеристики лабораторных 
печей ......................................................................................................108 
Приложение 8. Установка параметров настройки регулятора 
ТРМ10....................................................................................................109 

ВВЕДЕНИЕ 

Цель лабораторного практикума – приобретение навыков: 
– работы с печными установками, измерительными средствами и 
приборами; 
– работы и изучения средств автоматического регулирования; 
– проведения испытаний и определения параметров объектов и 
систем автоматического управления объектами; 
– использования современных средств метрологического обеспечения измерений теплотехнических параметров; 
– владения компьютерными средствами сбора, хранения и обработки измерительной информации. 
Каждая лабораторная работа выполняется в течение 2 ч бригадой, 
состоящей из двух студентов. 
До начала выполнения практикума преподавателем проводится 
инструктаж по технике безопасности при работе с экспериментальными установками и напряжением до 1000 В. Перед началом лабораторной работы студенты должны ознакомиться с представленными 
на стенде приборами, используя описание работы, схему установки и 
инструкции по отдельным приборам и средствам измерения. 
Приступать к измерениям следует лишь после того, как будут составлены схемы соединений и усвоена последовательность выполнения опытов. 
Студентам запрещается включать питание на установке, приборы 
и компьютеры, не получив на это разрешения преподавателя и лаборанта. Каждый студент должен производить с достаточной и тщательностью необходимые записи, связанные с наблюдениями, расчетами, составлением схем и анализом полученных результатов. 

ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ 
ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ 
В МЕЖКАФЕДРАЛЬНОЙ ЛАБОРАТОРИИ 
«ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ 
В МЕТАЛЛУРГИИ» 

1. Общие положения 
Межкафедральная учебно-научная лаборатория «Теплотехнические измерения в металлургии» (МКЛ «ТИМ») предназначена для 
проведения лабораторных и дипломных работ, экспериментов в рамках курсовых научно-исследовательских работ (КНИР), а также для 
подготовки аспирантов и магистров. 
2. Общие правила 
Наиболее частыми видами травм при выполнении работ в МКЛ 
«ТИМ» являются термические ожоги, поражение электрическим током и ушибы. 
Причинами ожогов в большинстве случаев являются неосторожное обращение с расплавленным металлом и нарушение правил техники безопасности при использовании лабораторных печей. 
Поражение электрическим током связано с непосредственным соприкосновением с токонесущими частями различных лабораторных 
установок, нарушением заземления, самопроизвольным подсоединением лабораторного оборудования к источникам питания. 
Основной причиной ушибов является неосторожность и небрежность в обращении с инструментом и лабораторным оборудованием. 
Поэтому перед началом лабораторной работы или перед проведением экспериментов в рамках КНИР или дипломной работы студенты и 
аспиранты должны ознакомиться с представленными на стенде приборами, используя описание работы и схему установки. Приступать к 
измерениям следует лишь после того, как будет усвоена последовательность проведения экспериментов. 
Во избежание травматизма и несчастных случаев в МКЛ «ТИМ» 
необходимо хорошо знать и неукоснительно выполнять правила техники безопасности. 
К выполнению работ в МКЛ «ТИМ» допускаются студенты, ознакомленные с правилами эксплуатации лабораторных установок и 
прошедшие инструктаж по технике безопасности на рабочем месте с 
обязательной подписью в журнале регистрации инструктажа. 

Студенты обязаны строго соблюдать меры безопасности, указанные в руководстве по каждой установке. 
В целях предотвращения несчастных случаев запрещается проводить занятия и эксперименты на неисправном оборудовании. 
В МКЛ «ТИМ» запрещается находиться в верхней одежде, а также приносить напитки и еду. 
3. Содержание рабочего места 
Лабораторные работы оформлены в виде стендов, оборудованных 
электронными приборами и нагревательными устройствами. К каждой работе прилагается описание, в котором рассмотрен принцип 
действия и порядок выполнения работы. 
Включение лабораторной установки студент производит строго с 
разрешения преподавателя и в присутствии лаборанта. 
Запрещается: 
– прикасаться к токоведущим участкам стенда; 
– оставлять без присмотра включенное оборудование (установка 
должна функционировать только во время проведения лабораторной 
работы или эксперимента); 
– самостоятельно изменять настройки лабораторных установок; 
– открывать дверцы нагретых печей; 
– производить смену термопар, изоляции в нагретых образцах; 
– прикасаться к нагретым частям установок во избежание ожогов; 
– помещать нагретые образцы на неприспособленные для этого 
поверхности; 
– использовать посторонние, не относящиеся к выполняемой лабораторной работе, предметы. 
Во время выполнения лабораторных работ разрешается находиться только около той лабораторной установки, на которой проводится 
работа. Категорически запрещается находиться около лабораторных установок, которые не имеют отношения к выполняемой 
работе. 
Загрузку тигля в печь и его извлечение из печи производить только при отключенном напряжении, надев рукавицы, защитные очки и 
спецодежду. 
Лабораторное оборудование, приборы и материалы можно использовать только по прямому назначению. 
В случае возникновения неисправности студент обязан немедленно поставить в известность преподавателя или лаборанта и обесточить установку. 

По окончании выполнения лабораторной работы необходимо сообщить об этом преподавателю и с его разрешения отключить установку. Установку и рабочее место привести в исходное состояние. 
Чистота и порядок на рабочем месте – показатели культуры 
исследователя! 
4. Защитная одежда и защитные приспособления 
Все нагретые заготовки можно доставать из печи только специально предназначенными для этого щипцами. 
Выполнение операций по измерению температуры в плавильных 
печах проводить только при отключенном напряжении. При этом 
обязательно пользоваться защитными очками и рукавицами. При работе использовать только приспособленный для этого инструмент. 

Лабораторная работа 1 

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ 
И ТЕРМОМЕТРЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ 

(2 часа) 

1.1. Цель работы 

Цель данной работы – изучить устройство и принцип действия 
термоэлектрических термометров (термопар) и термометров сопротивления; овладеть методикой поверки данных средств измерения. 

1.2. Теоретическое введение 

Наиболее широко в промышленности и особенно в печных и высокотемпературных установках применяются термопреобразователи 
сопротивления и термоэлектрические преобразователи. 

Термоэлектрические термометры 

Термоэлектрический термометр (термопара) – это измерительный 
преобразователь, предназначенный для измерения температуры на 
основе термоэлектрического эффекта и состоящий из двух разнородных проводников с керамической изоляцией, имеющих рабочий 
спай. Схема термоэлектрической цепи приведена на рис. 1.1. 

 

ИП

С

С
В1 

А1
А 

В

t1

t1

t0 

t0

t2

 

Рис. 1.1. Принципиальная схема соединений комплекта 
для измерения температуры с помощью термопары 

Схема включает в себя термопару с термоэлектродами А и В, измерительный прибор ИП, медные соединительные провода С и компенсационные провода А1 и В1. Рабочий спай подвергается воздейст

вию измеряемой температуры t2, а свободные концы термопары находятся при температуре t1. 
При t1 = t0 развиваемая термопарой термоэлектродвижущая сила 
(термоЭДС) определяется уравнением 

 
ЕAB (t2, t1) = eAB (t2) – eAB (t1), 
(1.1) 

где eAB (t) – разность потенциалов проводников А и В при соответствующей температуре. 
Таким образом, термоЭДС термопары является функцией температуры ее рабочего спая и свободных концов. Когда t1 = 0 °С, зависимость ЕAB (t2; 0) = f(t) называют градуировочной характеристикой 
термопары. Ее получают экспериментально, измеряя термоЭДС при 
известной температуре рабочего спая и поддерживая свободные концы при 0 °С. 
Если t1 ≠ 0 °С, то для точного определения температуры в измерение термоЭДС следует ввести поправку на основе соотношения 

 
ЕАВ (t2, t1) = ЕАВ (t2, 0) – ЕАВ (t1, 0). 
(1.2) 

В производственных условиях для устранения необходимости 
введения поправок в термоэлектрических цепях применяют так называемые компенсационные провода, т.е. разнородные провода, которые в паре между собой развивают такую же термоЭДС, как и 
электроды термопары в интервале от 0 до 100 °С, но имеют меньшую 
стоимость. 
Выбор материалов термоэлектродов в значительной степени определяется уровнем температуры и агрессивным воздействием измеряемой среды. Платина и ее сплавы с родием хорошо работают в 
окислительной и нейтральной средах; вольфрам, молибден, рений и 
их сплавы – в вакууме, нейтральной и восстановительной средах. 
Науглероживание проволоки искажает термоэлектрическую характеристику платины и приводит к погрешностям в измерении. 
Наибольшее распространение в металлургии получили термопары 
стандартных градуировок: платинородий-платина (ПП); хромельалюмель (ХА) и хромель-копель (ХК). Платинородий-платиновые 
термопары применяют для измерения температуры до 1500 °С, хромель-алюмелевые – до 1000 °С и кратковременно до 1300 °С; хромель-копелевые – до 600 °С и кратковременно до 800 °С. 
Термоэлектрический термометр (ТТ) – это измерительный преобразователь, чувствительный элемент (ЧЭ) которого (термопара) расположен в специальной защитной арматуре, обеспечивающей защиту 

термоэлектродов от механических повреждений и воздействия измеряемой среды. На рис. 1.2 показана конструкция технического ТТ. 

 

Рис. 1.2. Конструкция технического термоэлектрического термометра 

Арматура включает: чехол 1, гладкий или с неподвижным штуцером 2, и головку 3, внутри которой расположено контактное устройство 4 с зажимами для соединения термоэлектродов 5 с проводами, 
идущими от измерительного прибора к термометру. Термоэлектроды 
по всей длине изолированы друг от друга и от защитной арматуры 
керамическими трубками (бусами) 6. Специальная замазка 8 герметизирует внутреннее пространство защитного чехла термометра, который изготавливают из газонепроницаемых материалов, выдерживающих высокие температуры и агрессивное воздействие среды. При 
температурах до 1100 °С применяют металлические чехлы из углеродистой или коррозионностойкой стали, при более высоких температурах – керамические чехлы: фарфоровые, карбофраксовые, алундовые, из диборида циркония и т.п. В качестве термоэлектродов используется проволока диаметром 0,07...0,5 мм (из благородных металлов) и 0,1...3,2 мм (из неблагородных металлов). Спай 7 на рабочем конце термопары образуется сваркой, пайкой или скручиванием. 
Последний способ используется для вольфрам-рениевых и вольфраммолибденовых термопар.